Phân tích và thiết kế ăng ten mimo cho thiết bị đầu cuối di động 5g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ ANH TUẤN

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ĂNG-TEN MIMO CHO
THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG 5G

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ ANH TUẤN

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ĂNG-TEN MIMO CHO
THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG 5G

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN KHẮC KIỂM

Hà Nội - 2019

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: …………................. LÊ ANH TUẤN .................................
Đề tài luận văn: Phân tích và thiết kế ăng-ten MIMO cho thiết bị đầu cuối
di động 5G
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số SV: ………………………………CB180174……………......………………………….
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả
đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 5 tháng 12 năm 2019
với các nội dung sau:
-

Nên tập hợp kết quả để viết bài báo khoa học.

-

Chỉnh sửa một số lỗi chính tả.

-

Cải thiện chất lượng một số hình về kết quả đo (ví dụ: 2.20, 2.21, trang 60, 61).

-

Một số tài liệu trích dẫn chưa chính xác ví dụ số 7 và 11.
Ngày …… tháng …… năm 2019.

Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn thạc sỹ này là cơng trình nghiên cứu
khoa học của tôi và tập thể nghiên cứu, không sao chép ngun bản từ cơng trình
nghiên cứu hay luận văn của người khác. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều
được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ.
Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2019
Học viên thực hiện

Lê Anh Tuấn

i


LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Khắc Kiểm, người
thầy đã hướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học đồng thời hỗ trợ tơi về nhiều mặt để tơi
có thể hồn thành bản luận văn này.
Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập, nghiên
cứu. Tơi xin cảm ơn các thành viên trong CRD Lab, phòng 608, thư viện Tạ Quang
Bửu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã có những góp ý và giúp đỡ tơi nhiệt tình
trong thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc

gia (NAFOSTED) trong mã đề tài số 102.04-2016.02.
Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến mọi thành viên trong gia
đình, cơ quan cơng tác và bạn bè đã luôn bên tôi. Sự động viên, giúp đỡ của họ là
động lực mạnh mẽ giúp tơi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận văn này.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................. viii
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... xi
TÓM TẮT LUẬN VĂN ......................................................................................... xiii
CHƯƠNG I: ĂNG-TEN VÀ KỸ THUẬT MIMO TRONG THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI
DI ĐỘNG ....................................................................................................................1
1.1. Sự tiến hóa của ăng-ten di động .......................................................................1
1.2. Đánh giá chất lượng ăng-ten ............................................................................9
1.3. Giới hạn thiết kế ăng-ten ................................................................................12
1.4. Đánh đổi trong thiết kế ăng-ten ......................................................................15
1.5. Phân bổ băng tần mạng viễn thông di động ...................................................16
1.5.1. Các băng tần đã được sử dụng ................................................................16
1.5.2. Băng tần quy hoạch cho 5G ....................................................................20
1.6. Khái niệm về kênh truyền MIMO ..................................................................24
1.6.1. Kênh truyền không dây ...........................................................................24
1.6.2. Truyền thông không dây qua kênh truyền MIMO ..................................25
1.6.3. Ưu điểm của kênh truyền MIMO ............................................................27

1.7. Hệ thống đa ăng-ten và ảnh hưởng tương hỗ .................................................28
1.7.1. Giới thiệu hệ thống đa ăng-ten ................................................................28
iii


1.7.2. Kỹ thuật phân tập ăng-ten .......................................................................29
1.8. Ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử trong hệ thống đa ăng-ten ................30
1.8.1. Cơ chế chung gây tương hỗ giữa các phần tử ăng-ten ............................30
1.8.2. Tương hỗ trong ăng-ten vi dải ................................................................33
1.9. Các tham số của ăng-ten MIMO ....................................................................37
1.9.1. Hệ số tương quan tín hiệu .......................................................................37
1.9.2. Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG) .................................................38
1.9.3. Dung lượng hệ thống...............................................................................39
1.10. Ăng-ten MIMO cho thiết bị đầu cuối 5G .....................................................40
KẾT LUẬN CHƯƠNG I ......................................................................................45
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ĂNG-TEN CHO THIẾT BỊ
ĐẦU CUỐI DI DỘNG 5G ........................................................................................46
2.1. Yêu cầu thiết kế ..............................................................................................46
2.2. Thiết kế phần tử đơn ......................................................................................46
2.2.1. Mơ hình thiết kế ......................................................................................46
2.2.2. Kết quả mô phỏng ...................................................................................48
2.3. MIMO 8 phần tử ............................................................................................52
2.3.1. Mơ hình thiết kế ......................................................................................52
2.3.2. Kết quả mô phỏng ...................................................................................53
2.4. Chế tạo và đo đạc ...........................................................................................58
KẾT LUẬN CHƯƠNG II .....................................................................................62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................64

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1G

First Generation

Thế hệ đầu tiên

2D

Two Dimension

Hai chiều

2G

Second Generation

Thế hệ thứ hai

3D

Three Dimension

Ba chiều

3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

3GPP

Third‐Generation Partnership Project

Dự án đối tác thế hệ thứ ba

4G

Fourth Generation

Thế hệ thứ tư

5G

Fifth Generation

Thế hệ thứ năm

5G - NR 5G New Radio

Công nghệ truy nhập 5G

AMPS

Advanced Mobile Phone Service

Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CEO

Chief Executive Officer

Giám đốc điều hành

DCS

Digital Cellular Service

Dịch vụ di động kỹ thuật số

DS-MID Double‐Shot

Molded

Interconnect Thiết bị dập khuôn hai lần

Device
ECC

Envelop Correlation Coefficient

Hệ số đường bao tương quan

EM

Electromagnetic

Trường điện từ

EMC

Electromagnetic Compatibility

Tương thích điện từ

EMF

Electric And Magnetic Fields

Điện từ trường

FCC

Federal Communications Commission

Ủy ban truyền thông Liên bang Mỹ

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị tồn cầu

GSM

Global

System

For

Mobile Hệ thống thơng tin di động tồn cầu

Communication
HFSS

High-Frequency Structure Simulator

Mô phỏng cấu trúc tần số cao

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LDS

Laser Direct Structuring

Khắc cấu trúc bằng laser

LTE

Long-Term Evolution

Hệ thống thơng tin dài hạn

MEG

Medium Efficiency Gain

Hệ số tăng ích hiệu dụng trung bình

MIMO

Multiple-Input Multiple-Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

v


MMA

Multimode Ăng-tenna

Ăng-ten đa mode
Sóng milimet

mmWave Millimeter Wave

MPA

Multiport Ăng-tenna

Ăng-ten đa cổng

MPOA

Multipolarized Ăng-tenna

Ăng-ten đa phân cực

PCS

Personal Communications Service

Dịch vụ truyền thông cá nhân

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RL

Return Loss

Tổn hao ngược

SISO

Single-Input Single-Output

Hệ thống một đầu vào một đầu ra

SNR

Signal To Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TE

Transverse Electric

Điện trường ngang

TM

Transverse Magnetic

Từ trường ngang

UMTS

Universal Mobile Telecommunications Hệ thống viễn thơng di dộng tồn cầu
System

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

Tỷ số sóng đứng điện áp

Wi-Fi

Wireless Fidelity

Mạng không dây

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các băng tần quy định của NR-5G và băng thông kênh hỗ trợ. ...............20
Bảng 1.2: Băng tần 5G tần số cao. ............................................................................22
Bảng 1.3: Băng tần 5G ở dải sóng milimet. ..............................................................23

Bảng 2.1: Bảng tham số kích thước tối ưu của ăng-ten di động hai băng tần. .........47

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Ăng-ten lưỡng cực trên điện thoại Motorona DynaTAC 8000X (1983). ...1
Hình 1.2: Ăng-ten lưỡng cực có vỏ bọc trên một điểm truy nhập mạng LAN khơng
dây Linksys WAP55AG. .............................................................................................2
Hình 1.3: Điện thoại di động Motorona MicroTAC 9800X phát hành năm 1989......2
Hình 1.4: Ăng-ten lùn trên điện thoại di động Nokia 5110 (1998).............................3
Hình 1.5: Phiên bản quốc tế điện thoại Nokia 3210 (1999). .......................................4
Hình 1.6: Điện thoại di động Motorola Razr V3 (2004) với ăng-ten tích hợp bên dưới.
.....................................................................................................................................6
Hình 1.7: iPhone thế hệ đầu tiên (2007). ....................................................................6
Hình 1.8: Phiên bản điện thoại iPhone 6s Plus màu xám (2015). ...............................7
Hình 1.9: Điện thoại Galaxy S10 5G Majestic Black (Verizon) [10]. ........................8
Hình 1.10: Mơ hình đường truyền tới đầu vào ăng-ten. .............................................9
Hình 1.11: Băng thơng ăng-ten di động đa băng tần. ...............................................11
Hình 1.12: Mặt cầu tối thiểu bao quanh ăng-ten. ......................................................13
Hình 1.13: Giới hạn Chu-Harrington cho ăng-ten đơn mode theo hiệu suất. ...........14
Hình 1.14: Phân bổ băng tần. ....................................................................................17
Hình 1.15: Ưu điểm vượt trội của 5G so với các thế hệ mạng di động trước. ..........20
Hình 1.16: Tổn hao năng lượng kênh truyền khơng dây. .........................................25
Hình 1.17: Mơ hình hệ thống: (a) SISO và (b) MIMO. ............................................26
Hình 1.18: Mơ hình đa ăng-ten (a) sử dụng chung phần tử bức xạ và (b) sử dụng các
phần tử bức xạ độc lập. .............................................................................................29
Hình 1.19: Hệ ăng-ten MIMO hai ăng-ten đơn.........................................................30
Hình 1.20: (a) Mạng hai cổng và (b) mạch tương đương hình T. .............................31
Hình 1.21: Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trong trường
hợp h = 0 , d > 0. .........................................................................................................32
Hình 1.22: Quan hệ giữa trở kháng tương hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trong trường
hợp d=0, s = h - l > 0. ................................................................................................33

viii

Hình 1.23: Các nguồn gây ra tương hỗ giữa các thành phần trong hệ đa ăng-ten vi
dải. .............................................................................................................................34
Hình 1.24: Sắp xếp các ăng-ten vi dải chữ nhật (a) trên mặt phẳng E và (b) trên mặt
phẳng H. ....................................................................................................................35
Hình 1.25: Quan hệ của tương hỗ giữa các phần tử ăng-ten theo khoảng cách [2]. .35
Hình 1.26: Quan hệ giữa điện dẫn tương hỗ chuẩn hóa với khoảng cách giữa hai ăngten vi dải chữ nhật (W = 1.186 cm, L= 0.906 cm, ɛr = 2.2, λ0 = 3cm). .....................37
Hình 1.27: Cấu trúc hình học của hệ thống ăng-ten MIMO tự khử suy hao ghép. Đơn
vị: mm. [45] ...............................................................................................................41
Hình 1.28: Kết quả mô phỏng S-parameter của hệ thống ăng-ten MIMO khi Lc = 6.9
mm, Lf = 3.3 mm, Lm = 3.3 mm [45]. .......................................................................42
Hình 1.29: So sánh kết quả đo với kết quả mô phỏng theo tham số S-parameter và
hiệu suất bức xạ tổng [45]. ........................................................................................42
Hình 1.30: Cấu trúc và kích thước của ăng-ten MIMO sử dụng ăng-ten khe mở : (a)
Nhìn tổng thể, (b) Cấu trúc chi tiết của khe mở [46]. ...............................................43
Hình 1.31: Kết quả đo S-Parameter của mảng ăng-ten MIMO: (a) Hệ số phản xạ, (b)
Độ cách ly giữa các phần tử lân cận [46]. .................................................................44

Hình 2.1: Cấu trúc hình học của ăng-ten hai băng tần: (a) Mặt trên, (b) Mặt bên. ...47
Hình 2.2: Cấu trúc ăng-ten mơ phỏng trong phần mềm HFSS. ................................48
Hình 2.3: Đồ thị băng thơng S11 < -6 dB. .................................................................48
Hình 2.4: Đồ thị đồ thị bức xạ của ăng-ten theo mặt phẳng x-z và y-z: (a) 3.5 GHz,
(b) 5.8 GHz................................................................................................................49
Hình 2.5: Đồ thị bức xạ 3D: (a) 3.5 GHz, (b) 5.8 GHz. ...........................................49
Hình 2.6: Mơ hình ăng-ten kết hợp với đồ thị bức xạ 3D: (a) 3.5 GHz, (b) 5.8 GHz.
...................................................................................................................................50
Hình 2.7: Đồ thị độ tăng ích đỉnh theo tần số. ..........................................................51
Hình 2.8: Đồ thị hiệu suất bức xạ theo tần số. ..........................................................51

ix


Hình 2.9: Mơ hình thiết kế hệ thống ăng-ten MIMO cho thiết bị đầu cuối 5G: (a) Mặt
trên, (b) Mặt bên. .......................................................................................................52
Hình 2.10: Hệ ăng-ten MIMO 8 phần tử mơ phỏng trong phần mềm HFSS. ..........53
Hình 2.11: Đồ thị băng thông trở kháng đầu vào -6 dB của 8 phần tử. ....................54
Hình 2.12: Tương hỗ giữa Ant# 2, Ant# 3, Ant# 4, Ant#7, Ant#8 với Ant#1. ........55
Hình 2.13: Tương hỗ giữa các ăng-ten trên hàng I. ..................................................55
Hình 2.14: Tương hỗ giữa các phần tử liền kề trong hệ MIMO. ..............................56
Hình 2.15: Phân bố dòng điện bề mặt của Ant#1 và Ant#8. ....................................56
Hình 2.16: Mơ hình ăng-ten kết hợp với đồ thị bức xạ 3D: (a) 3.5 GHz, (b) 5.8 GHz.
...................................................................................................................................57
Hình 2.17: Hệ ăng-ten MIMO 8 phần tử chế tạo thực tế: (a) Mặt trên, (b) Phối cảnh
mặt dưới (lắp tải 50 Ω). .............................................................................................58
Hình 2.18: Máy phân tích mạng cao tần Keysight N5245A PNA-X [47]. ...............59
Hình 2.19: Đồ thị băng thơng S11 < -6 dB đo thực tế của hệ ăng-ten MIMO 8 phần tử.
...................................................................................................................................59
Hình 2.20: Tương hỗ giữa các phần tử với Ant#1. ...................................................60
Hình 2.21: Tương hỗ giữa các phần tử ăng-ten trong hàng I. ...................................61

x


LỜI MỞ ĐẦU
Trong hơn một thập kỷ trở lại đây, sự bùng nổ của điện thoại di dộng và các
thiết bị điện tử thông minh đã mang đến rất nhiều lợi ích cho cuộc sống con người;
nhờ chúng khả năng tương tác kết nối giữa người với người trở lên dễ dàng hơn bao
giờ hết. Số lượng thiết này đã đặt lên gánh nặng cho hạ tầng di động vốn đã đang cạn
kiệt về tài nguyên tần số về tốc độ kết nối, sự chính xác, ổn định và tính bảo mật vì

lưu lượng dữ liệu vơ cùng mà chúng sinh ra khi được con người sử dụng.
Mạng di động 4G mặc dù có tốc độ nhanh nhưng băng thơng của hệ thống
không lớn nên khi lượng thiết bị truy nhập tăng lên đột biến từ các ứng dụng của
Internet vạn vật, dữ liệu lớn và sự gia tăng không ngừng của điện thoại thông minh
dẫn đến sự quá tải là không thể tránh khỏi. Trong những năm gần đây, các nhà cung
cấp, các tổ chức quốc tế, các tập đồn viễn thơng, hãng cơng nghệ lớn đã và đang
nghiên cứu phát triển thử nghiệm những công nghệ mạng di động thế hệ mới (5G)
với những ưu điểm vượt trội so với các thế hệ trước bởi băng thông hệ thống siêu
rộng, tốc độ truyền dẫn lớn hơn nhiều lần (~ Gbps) cùng mã hóa bảo mật tốt hơn. Một
số quốc gia như Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc, Hoa Kỳ, … đã và đang thử
nghiệm mạng 5G ở băng tần dưới 6 GHz để có thể bắt đầu thương mại hóa vào năm
2020.
Khi các cơng nghệ di động phát triển, số lượng cơng nghệ được tích hợp trong
điện thoại ngày càng nhiều, với không gian trong điện thoại bị giới hạn để đảm bảo
tính thẩm mỹ và tiện dụng thì các linh kiện trong điện thoại phải thu nhỏ tối đa và sắp
xếp với mật độ rất cao. Với số lượng thiết bị đầu cuối di động khổng lồ, lưu lượng dữ
liệu và mật độ tín hiệu là rất lớn dẫn đến nhiều vấn đề phát sinh trong truyền thông
vô tuyến. Kỹ thuật MIMO sử dụng đa ăng-ten được xem là giải pháp hữu hiệu để
chống lại những vấn đề đó và tăng độ tin cậy của các mạng khơng 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 cơng suất phát. Mối quan tâm cho các hệ ăng-ten MIMO trên
thiết bị đầu cuối di động là rất lớn, việc nghiên cứu chế tạo thử nghiệm các nguyên
xi


mẫu ăng-ten MIMO đang rất được quan tâm. Mục tiêu chính mà luận văn tập trung
giải quyết đó là phân tích và thiết kế ăng-ten MIMO cho thiết bị đầu cuối di động 5G.

Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2019
Học viên thực hiện

LÊ ANH TUẤN

xii


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Mục đích của luận văn nhằm hướng tới tìm hiểu cơng nghệ thiết kế chế tạo
ăng-ten cho các thiết bị đầu cuối di động 5G. Phạm vi của luận văn tập trung vào
phân phân tích và thiết kế ăng-ten MIMO cho thiết bị đầu cuối di động 5G với các
nội dung chính sau:
Đầu tiên, chương I sẽ giới thiệu về ăng-ten di động và quá trình tiến hóa của
chúng theo sự phát triển của mạng thơng tin di động, các tiêu chí đánh giá ăng-ten di
động thơng qua các tham số đặc trưng; giới hạn trong thiết kế ăng-ten và những đánh
đổi khi thiết kế ăng-ten cho thiết bị di động. Kỹ thuật MIMO và các ưu điểm vượt
trội của các hệ thống sử dụng kỹ thuật này. Sau đó là phân bổ băng tần mạng viễn
thơng di động và các xu hướng nghiên cứu ăng-ten di động ở băng tần dưới 6GHz.
Tiếp theo là phần nội dung chính của đề tài luận văn, chương II sẽ trình bày
thiết kế, mơ phỏng, chế tạo và đo đạc một mẫu ăng-ten MIMO 8 phần tử với mục tiêu
thiết kế một hệ ăng-ten MIMO hoạt động ở hai băng tần với kích thước nhỏ gọn và
độ cách ly cao trên một bo mạch với kích thước tương đương với các sản phẩm điện
thoại cao cấp hiện nay.

xiii


CHƯƠNG I: ĂNG-TEN VÀ KỸ THUẬT MIMO TRONG
THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI DI ĐỘNG
1.1. Sự tiến hóa của ăng-ten di động
Có một số tranh cãi về việc ai đã phát minh ra hệ thống thơng tin di động đầu

tiên, bởi vì một số người họ hiểu rằng thông tin di động là phương tiện liên lạc. Tuy
nhiên, khi đề cập đến điện thoại di động phiên bản thương mại đầu tiên thì câu trả lời
đó là Motorola DynaTAC 8000X [1] được giới thiệu năm 1983 như trong hình 1.1
dưới đây.

Hình 1.1: Ăng-ten lưỡng cực trên điện thoại Motorona DynaTAC 8000X (1983).
Ăng-ten được lắp đặt trên DynaTAC 8000X là một ăng-ten lưỡng cực có vỏ
bọc nhựa, hiện tại nó là một thiết kế lỗi thời trong công nghiệp điện thoại di động
nhưng vẫn được chấp nhận và sử dụng rộng rãi trong điểm truy nhập mạng WLAN,
một trong số đó thể hiện trong hình 1.2. Ăng-ten lưỡng cực là ăng-ten có hiệu năng
tốt nhất sử dụng cho điện thoại di động, tuy nhiên nó cũng có kích thước lớn nhất.
Hiện nay khơng nhà sản xuất hoặc nhà mạng nào muốn dùng nó cho điện thoại của
mình cả vì đơn giản là nó rất thiếu thẩm mỹ. Độ dài của loại ăng-ten này xấp xỉ một
nửa bước sóng hoạt động của nó; ở tần số 850 MHz, chiều dài của ăng-ten là 176mm.
Ở buổi bình minh của thời đại sử dụng điện thoại di động cá nhân, kích thước như
thế này là khá hợp lý nếu so với một chiếc điện thoại cố định. Ví dụ, kích thước của
một chiếc DynaTAC 8000X là 330×44×89 mm3, khi khơng lắp ăng-ten.

1


Hình 1.2: Ăng-ten lưỡng cực có vỏ bọc trên một điểm truy nhập mạng LAN không
dây Linksys WAP55AG.
Với sự cải thiện đáng kể trong công nghệ di động và kỹ thuật thu nhỏ kích
thước điện thoại, kích thước của ăng-ten lưỡng cực khơng cịn tỷ lệ với kích thước
điện thoại nữa. Không giống như ăng-ten lưỡng cực, một ăng-ten đơn cực [2] trên
mặt phẳng đất chỉ có chiều dài bằng một phần tư bước sóng, tương ứng với 88 mm ở
tần số 850 MHz. Trong hình 1.3 là một chiếc Motorola MicroTAC 9800X đặt trên
một bộ sạc, nó là điện thoại gập với micro tích hợp bên trong nắp gập. Ăng-ten đơn
cực là một dây mảnh ở trên đỉnh của điện thoại.

Hình 1.3: Điện thoại di động Motorona MicroTAC 9800X phát hành năm 1989.
2


Một ăng-ten lưỡng cực, chẳng hạn như trong hình 1.1, được tích hợp bên trong một
vỏ bọc nhựa đặc nhưng vẫn giữ được hầu hết các đặc tính bức xạ; do đó ăng-ten được
cách ly với điện thoại và tay của người dùng điện thoại. Một ăng-ten đơn cực phải sử
dụng kim loại bên trong điện thoại như một phần cấu trúc bức xạ của ăng-ten và một
phần của dòng bức xạ phải chạy qua điện thoại. Khi đặt điện thoại lên tay người, sóng
điện thoại sẽ bị hấp thụ đáng kể làm giảm hiệu suất ăng-ten. Mặc dù hiệu suất của
ăng-ten đơn cực kém hơn so với ăng-ten lưỡng cực nhưng nó vẫn cịn tốt hơn tất cả
các thành viên khác trong gia đình ăng-ten điện thoại di động.
Trong thực tế, ăng-ten sử dụng trên chiếc MicroTAC 9800X là một ăng-ten
rút, nó là sự kết hợp giữa một ăng-ten râu và một ăng-ten lò xo ngắn. Khi kéo dài
ăng-ten ra, ăng-ten râu sẽ có hiệu suất hoạt động tốt hơn. Khi ăng-ten được rút lại, thì
ăng-ten lị xo vẫn có hiệu suất chấp nhận được. Ăng-ten rút này là lựa chọn tốt nhất
thời bấy giờ khi vừa đảm bảo được hai thứ đó là kích thước gọn và hiệu suất thu phát
tốt.

Hình 1.4: Ăng-ten lùn trên điện thoại di động Nokia 5110 (1998).
Rõ ràng cấu trúc cơ học của một ăng-ten rút là khá phức tạp vì nó liên quan
đến bộ phận chuyển động và phần bức xạ. Một ăng-ten lùn, thể hiện trong hình 1.4,
3


đã loại bỏ râu khỏi ăng-ten rút. Từ góc nhìn về hiệu năng bức xạ, một ăng-ten lùn
(stubby antenna) không tốt bằng ăng-ten rút, tuy nhiên chính nó lại được sử dụng phổ
biến vào cuối thế kỷ vừa qua. Lý do cho việc áp dụng phổ biến ăng-ten lùn này là sự
phát triển của các mạng di động và chất lượng thu phát tín hiệu di động. Khi số lượng

người dùng điện thoại di động bùng nổ, mật độ các trạm thu phát gốc tăng lên đáng
kể. Điều đó khiến khoảng cách từ người dùng di động đến các trạm thu phát ngắn hơn
rất nhiều so với trước đây. Suy hao đường truyền giữa một điện thoại di động và một
trạm thu phát tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa chúng, khoảng cách ngắn hơn nghĩa
là tín hiệu thu phát sẽ tốt hơn. Bên trong một ăng-ten lùn, bộ phận bức xạ có thể là
một lị xo xoắn bằng dây kim loại, một dây uốn khúc trên mạch in dẻo (FPCB) hoặc
một tấm kim loại dập mỏng.

Hình 1.5: Phiên bản quốc tế điện thoại Nokia 3210 (1999).
Ăng-ten cho các thế hệ điện thoại di động tiếp theo đã bắt đầu được tích hợp
vào bên trong điện thoại. Trong hình 1.5, điện thoại Nokia 3210 tuy không phải là
điện thoại đầu tiên được tích hợp ăng-ten bên trong nhưng nó là một trong những
chiếc di động thương mại thành công nhất về doanh số bán ra cho đến bây giờ. Trong
vòng đời của nó, Nokia đã bán ra hơn 160 triệu chiếc trên toàn thế giới [3]. Nhiều thế
hệ người Việt đã từng mê mẩn chiếc điện thoại "nồi đồng cối đá" này. Khi đo kiểm
trong môi trường không gian tự do hoặc bên cạnh một mơ hình đầu người nhân tạo
4


ăng-ten này có hiệu năng tương tự như một ăng-ten lùn. Khi sử dụng hàng ngày, ăngten tích hợp bên trong thiết bị thường rất dễ bị tay người dùng che kín, nó là một cử
chỉ khá tự nhiên khi người dùng để ngón tay lên mặt trên của ăng-ten và để loa điện
thoại gần với tai của mình.
Từ góc nhìn thiết kế cơ khí, ăng-ten tích hợp tốt hơn ăng-ten gắn ngồi vì nó
loại bỏ các đầu nối ăng-ten gắn ngồi, tiết kiệm khơng gian bên trong điện thoại. Và
ăng-ten tích hợp cũng tốt hơn ăng-ten gắn ngồi trong các bài kiểm nghiệm sản phẩm
như thả rơi, chống sốc, … và một số bài thử nghiệm cơ học khác. Bởi vì ăng-ten tích
hợp nằm hồn tồn bên trong điện thoại, người dùng rất ít khi động chạm đến nó.
Hầu hết các ăng-ten tích hợp thường được đặt ở phần trên của điện thoại. Khi
gọi điện thoại bình thường, khoảng cách giữa ăng-ten và đầu người sử dụng thường
khá nhỏ. Để loại bỏ ảnh hưởng của đầu người sử dụng đến hiệu suất ăng-ten và làm

giảm bức xạ có hại phát ra tới đầu người, một mặt phẳng đất phải được đặt dưới ăngten để cô lập giữa đầu người dùng với ăng-ten. Tuy nhiên, mặt phẳng đất lại làm giảm
băng thơng ăng-ten; đề bù lại kích thước ăng-ten phải tăng lên. Chiếc Motorola Razr
V3 là điện thoại di động đầu tiên có ăng-ten tích hợp ở bên dưới. Theo những quan
điểm được đưa ra lúc đó, ăng-ten đặt ở bên dưới điện thoại sẽ bị lòng bàn tay người
sử dụng che kín, nó có thể tốt khi kiểm thử trong phịng thí nghiệm nhưng hiệu năng
sẽ rất kém khi sử dụng thực tế. Quan điểm "khơn ngoan" đó cũng không thể ngăn
Motorola V3 trở thành huyền thoại với doanh số bán ra nhiều hơn con số 110 triệu
sản phẩm. Bằng cách đặt ăng-ten ở phần bên dưới điện thoại, ăng-ten trên phần đầu
khơng cịn cần thiết nữa, kéo theo mặt phẳng đất đi kèm cũng bị loại bỏ. Hơn nữa, độ
dày và khối lượng của ăng-ten được giảm đi đáng kể, như thể hiện trong hình 1.6. Ở
thời điểm phát hành, Mororola V3 là chiếc điện thoại mỏng nhẹ nhất lúc bấy giờ. Kể
từ đó, nhiều điện thoại mỏng đã áp dụng ăng-ten bên dưới, những ông lớn trong thị
trường điện thoại di động có các phiên bản riêng về điện thoại tích hợp ăng-ten bên
dưới. Một kinh nghiệm mới được rút ra, khi bạn cần thiết kế một chiếc điện thoại
mỏng nhẹ, tốt hơn là hãy đặt ăng-ten ở phần bên dưới điện thoại.

5


Hình 1.6: Điện thoại di động Motorola Razr V3 (2004) với ăng-ten tích hợp bên
dưới.
Hình 1.7 thể hiện chiếc iPhone thế hệ đầu tiên, được CEO của Apple Steve
Jobs giới thiệu năm 2007. iPhone là chiếc điện thoại đầu tiên được trang bị màn hình
cảm ứng điện dung. Khơng giống như màn hình cảm ứng điện trở, màn hình cảm ứng
điện dung khơng cần bút stylus và có thể điều khiển trực tiếp bằng đầu ngón tay. Lớp
cảm ứng của màn hình cảm ứng điện dung, thường được làm bằng một dây dẫn trong
suốt bằng indium tin oxit, được nhúng dưới lớp thủy tinh bảo vệ. Cấu hình như vậy
khiến các màn hình cảm ứng có tuổi thọ gần như vô hạn. Cùng với hệ điều hành iOS
và hệ sinh thái phần mềm đi kèm, iPhone đã trở thành một thế lực mới trong thị trường
điện thoại.

Hình 1.7: iPhone thế hệ đầu tiên (2007).
Kể từ khi thế hệ iPhone đầu tiên ra đời, tồn bộ ngành cơng nghiệp điện thoại
bắt đầu hội tụ. Tất cả các công ty sử dụng điện thoại có bàn phím cứng đã có những
cái kết không tốt đẹp, tiêu biểu là Nokia, khiến họ phải bán lại mảng sản xuất thiết bị
di động cho Microsoft vào tháng 9 năm 2013. Trong năm 2015, sẽ thật khó phân biệt
6


một chiếc điện thoại dưới 100 $ với một chiếc điện thoại cao cấp có giá hơn 600$.
Trong hình 1.8 là một chiếc iPhone 6s+ với màn hình cảm ứng chiếm phần lớn diện
tích mặt trên điện thoại, cịn lại một phần diện tích nhỏ ở trên và dưới điện thoại. Hiện
nay, các thiết kế điện thoại di động có diện tích màn hình ngày càng lớn hơn và độ
dày ngày càng mỏng. Khi iPhone mới xuất hiện, nó có kích thước màn hình lớn nhất
3.5 inch và độ dày mỏng nhất 11.6mm. Sau 8 năm, màn hình 4.5 inch đã bị coi là
màn hình nhỏ. Chiếc iPhone 6 có màn hình 5.5 inch với độ dày chỉ 7.1 mm. Với một
số công ty sản xuất điện thoại khác như SamSung, Huawei, … họ còn phát hành
những mẫu điện thoại có kích thước màn hình 6-7 inch khiến ranh giới giữa điện thoại
và máy tính bảng ngày càng mờ nhạt.

Hình 1.8: Phiên bản điện thoại iPhone 6s Plus màu xám (2015).
Tất cả những xu hướng này có tác động đáng kể đến thiết kế ăng-ten và các
kỹ thuật sản xuất. Ví dụ như màn hình tinh thể lỏng LCD cỡ lớn với một tấm kim loại
mỏng được bọc phía dưới màn hình sẽ làm tăng độ dày và khơng thể đặt ăng-ten tích
hợp bên trong điện thoại. Do đó, khá nhiều thiết kế đặt pin và bo mạch ở trung tâm
điện thoại còn ăng-ten đặt ở các phần trống còn lại ở đỉnh và đáy của điện thoại, như
minh họa trong hình 1.8.
Do những lo ngại về bức xạ điện từ ảnh hưởng đến não con người, hầu hết các
công ty đều để ăng-ten có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu 2G, 3G, 4G ở phần bên dưới
của điện thoại. Ngoại lệ duy nhất là iPhone, trước dòng iPhone 4s, iPhone chỉ có duy

7


nhất ăng-ten ở bên dưới đáy điện thoại. Theo lý giải từ Apple, đặt ăng-ten ở phần
dưới làm suy giảm hiệu suất bức xạ của ăng-ten đi đáng kể nó còn gọi là "death grip
- kẹp chết". Biện pháp được họ đưa ra là sử dụng một cặp ăng-ten chính, một ở trên
một ở bên dưới điện thoại. Từ iPhone 4s, tất cả các iPhone đều có hai ăng-ten, có thể
tự chuyển mạch giữa hai ăng-ten tùy vào cách sử dụng điện thoại, nếu điện thoại phát
hiện đầu người ở bên cạnh điện thoại nó sẽ tự động chuyển mạch sang ăng-ten bên
phía dưới. Nếu ai đó cầm vào phần dưới điện thoại khiến cường độ tín hiệu q yếu
nó sẽ chuyển sang ăng-ten phía trên. Apple giữ nhiều bằng sáng chế liên quan đến
chuyển mạch ăng-ten [4, 5] nó gây ra khó khăn khi các cơng ty khác muốn làm theo
họ.
Kể từ năm 1983, có hàng ngàn mẫu điện thoại di động đã được phát triển và
thật khó có thể liệt kê hết tất cả. Để có được thơng tin đầy đủ hơn, Internet là một
nguồn tốt. Một số bài viết [6] cho thấy biên niên sử của điện thoại di động. Một số
trang web [7] được dành riêng cho các mẫu điện thoại mới hoặc sắp ra mắt. Cho đến
năm 2019, khi mạng 5G vẫn còn chưa được chuẩn hóa trên tồn cầu, một số nhà mạng
nhà cung cấp đã tiến hành thử nghiệm 5G ở quy mô nhỏ, một số hãng điện thoại như
SamSung, Huawei, … đã tung ra những mẫu điện thoại tích hợp cơng nghệ 5G với
tốc độ dữ liệu đáng kinh ngạc [8, 9].

Hình 1.9: Điện thoại Galaxy S10 5G Majestic Black (Verizon) [10].
8


1.2. Đánh giá chất lượng ăng-ten
Sau khi thiết kế một ăng-ten, chúng ta khơng thể đánh nó là tốt hay xấu bằng
cách đơn giản nhìn vào nó. Chúng ta phải tìm một cách để đánh giá nó. Trong thiết
kế ăng-ten di động, các thông số thường được sử dụng là hệ số phản xạ, tỷ lệ sóng

điện áp đứng (VSWR), hiệu suất, độ tăng ích và băng thơng. Nội dung của phần này
chỉ có một đánh giá ngắn gọn của các thông số thường được sử dụng.
Từ quan điểm mạch điện, ăng-ten là một thiết bị có một cổng. Một đường
truyền có thể được sử dụng để cấp nguồn cho ăng-ten, như minh họa hình 1.10. Một
tín hiệu đầu vào từ một sóng tới dọc theo đường truyền. Nó bắt nguồn từ các nguồn
tín hiệu về phía ăng-ten, giả định rằng biên độ của sóng tới là Vincident. Tại cổng ăngten, một phần năng lượng nhận được từ sóng tới được ăng-ten bức xạ ra khơng gian.
Trong khi đó, năng lượng còn lại được phản xạ tại cổng và đi ngược lại dọc theo
đường truyền. Biên độ của sóng phản xạ là Vreflected.
Anten

Sóng tới Vincedent

Sóng phản xạ Vreflected

Hình 1.10: Mơ hình đường truyền tới đầu vào ăng-ten.
Hệ số phản xạ được cho bởi:



Vreflected

(1-1)

Vincident

Năng lượng phản xạ lại sẽ bị lãng phí thậm chí gây nhiễu cho điện thoại, khi
thiết kế một ăng-ten, mục tiêu đưa ra là giảm thiểu sự phản xạ tại đầu vào ăng-ten.
9