(Luận văn thạc sĩ) thiết kế, mô phỏng và chế tạo ăng ten đa băng sử dụng công nghệ mạch dải dành cho điện thoại di động thế hệ mới
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.71 MB, 67 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
CHU MINH THẮNG
THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ANTEN ĐA BĂNG
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠCH DẢI DÀNH CHO
ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
HÀ NỘI - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
CHU MINH THẮNG
THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠOANTEN ĐA BĂNG
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠCH DẢI DÀNH CHO
ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI
NGÀNH: CÔNG NGHỆĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60 52 02 03
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS.TS. TRƢƠNG VŨ BẰNG GIANG
HÀ NỘI - 2014
Luận văn tốt nghiệp Cao học
2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten đa
băng sử dụng công nghệ mạch dải dành cho điện thoại di động thế hệ mới”là cơng
trình nghiên cứu của bản thân. Trong luận văn có dùng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã
nêu trong phần tài liệu tham khảo.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, nếu sai tơi xin
chịu hồn tồn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trƣờng đề ra.
Tác giả luận văn
Chu Minh Thắng
i
Luận văn tốt nghiệp Cao học
2014
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, trƣớc hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành
tới PGS.TS. Trƣơng Vũ Bằng Giang, thầy đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn và giúp cho tơi
có đƣợc những kiến thức, cũng nhƣ kinh nghiệm quý báu trong thời gian học tập và
nghiên cứu tại trƣờng Đại học Công Nghệ.
Tôicũng xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, các em sinh viên Phòng thí nghiệm
của khoaĐiện tử - Viễn thơng đã tận tình hƣớng dẫnvề chuyên mônvà tạo điều kiện tốt
nhất cho tôi trong thời gian tôithực hiện luận văn này.
Cuối cùng, tôixin cảm ơn gia đình, ngƣời thân và các bạn của em, những ngƣời đã
ln bên cạnh động viên, khích lệ và giúp đỡ em trong thời gian qua.
Luận văn này đƣợc thực hiện trong khuôn khổ đề tài Khoa học Công nghệ cấp Đại
học Quốc gia Hà Nội, mã số QGTĐ.13.05
Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực hiện luận văn có hạn, nên luận văn
cịn nhiều hạn chế. Tơi rất mong nhận đƣợc nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cơ để
hồn thiện hơn bài viết của mình.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 21 tháng 11 năm 2014
Học viên
Chu Minh Thắng
ii
Luận văn tốt nghiệp Cao học
2014
TÓM TẮT
Ngày nay điện thoại di động sử dụng công nghệ 4G/LTE đang dần trở nên phổ biến
trên thế giới do tính năng vƣợt trội của nó về tốc độ truyền và nhận dữ liệu. Cùng với sự
phát triển của thiết bị di động có hỗ trợ công nghệ 4G/LTE, anten dành cho các thiết bị
này cũng đang đƣợc phát triển nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu.
Anten vi dải (micrstrip antenna) đã đang đƣợc sử dụng rộng rãi vì những ƣu điểm
của nó nhƣ: kích thƣớc nhỏ, trọng lƣợng nhẹ, dễ dàng thiết kế và chế tạo, chi phí giá
thành sản xuất thấp… Tuy nhiên vẫn cịn một số nhƣợc điểm của nó nhƣ băng thông hẹp,
hiệu suất bức xạ kém hơn so với các loại anten khác nhƣng do khả năng tích hợp với các
thiết bị rất tốt nên anten vi dải vẫn luôn là sự lựa chọn hàng đầu để thiết kế anten cho thiết
bị di động thế hệ mới.
Trong luận văn này, một anten vi dải đa băng cho điện thoại di động nói chung,
anten cho thiết bị di động 4G/LTE nói riêng hoạt động ở các băng tần (1800MHz và 2600
MHz) đã đƣợc thiết kế, mô phỏng và chế tạo. Các phép đo thực tế đã đƣợc thực hiện để so
sánh với kết quả mô phỏng.
iii
Luận văn tốt nghiệp Cao học
2014
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. I
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... II
TÓM TẮT........................................................................................................................... III
MỤC LỤC ..........................................................................................................................IV
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. VIII
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................... X
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG ....................................................................................................... 3
1.1. Các hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G .................................................................... 3
1.2. Hệ thống thông tin di động 4G/LTE (Long Term Evolution) ............................................ 3
1.2.1. Công nghệ 4G/ LTE .................................................................................................................3
1.2.2. Các thông số kỹ thuật ...............................................................................................................4
1.2.3. Băng tần triển khai LTE ...........................................................................................................5
1.2.4. Tổng quan về Anten 4G/LTE ..................................................................................................7
1.3. Kết luận ............................................................................................................................... 8
CHƢƠNG 2:ANTEN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG ........................ 10
2.1. Anten trong hệ thống thông tin di động ............................................................................ 10
2.2. Anten cho điện thoại di động cầm tay .............................................................................. 13
2.3. Các thông số cơ bản của anten .......................................................................................... 15
2.3.1. Sự bức xạ sóng điện từ bởi một anten ....................................................................................16
2.3.2. Giản đồ bức xạ của Anten ......................................................................................................17
2.3.2.1. Giản đồ đẳng hướng và hướng tính ......................................................................................... 18
2.3.2.2. Các búp sóng của giản đồ bức xạ hướng tính .......................................................................... 19
iv
Luận văn tốt nghiệp Cao học
2014
2.3.2.3. Trường khu gần và trường khu xa ........................................................................................... 20
2.3.3. Mật độ công suất bức xạ ........................................................................................................22
2.3.4. Cƣờng độ bức xạ ....................................................................................................................23
2.3.5. Hệ số định hƣớng ...................................................................................................................24
2.3.6. Hệ số tăng ích của anten ........................................................................................................25
2.3.7. Băng thông của Anten ............................................................................................................27
2.3.8. Anten phân cực ......................................................................................................................27
2.3.9. Trở kháng vào của Anten .......................................................................................................28
2.3.10. Hệ số phản xạ, Suy hao phản hồi và Hệ số điện áp sóng đứng ............................................29
2.4. Đƣờng truyền vi dải và anten vi dải .................................................................................. 30
2.4.1. Cấu trúc của Anten vi dải.......................................................................................................30
2.4.1.1. Cấu trúc đường truyền vi dải ................................................................................................... 30
2.4.1.2. Cấu trúc trường của đường truyền vi dải ................................................................................ 30
2.4.2. Anten vi dải ............................................................................................................................31
2.4.2.1. Giới thiệu chung ...................................................................................................................... 31
2.4.2.2. Một số loại anten vi dải cơ bản ................................................................................................ 32
2.4.2.3. Anten mặt bức xạ hình chữ nhật .............................................................................................. 35
2.5. Kết luận ............................................................................................................................. 36
CHƢƠNG 3:THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO CÁC THAM SỐ CỦA
ANTEN ............................................................................................................................... 37
3.1. Yêu cầu thiết kế anten ....................................................................................................... 37
3.2. Phần mềm mô phỏng ........................................................................................................ 38
3.3. Thiết kế và mô phỏng ....................................................................................................... 38
3.3.1. Qui trình thiết kế anten ..........................................................................................................38
3.3.2. Kết quả mơ phỏng ..................................................................................................................41
3.4. Chế tạo và đo đạc mẫu anten ............................................................................................ 43
3.4.1. Chế tạo ...................................................................................................................................43
3.4.2. Kết quả đo đạc thực tế ...........................................................................................................43
v
Luận văn tốt nghiệp Cao học
2014
3.4.3. Đo giản đồ bức xạ của anten thực nghiệm .............................................................................44
3.4.3.1. Qui trình đo .............................................................................................................................. 44
3.4.3.2. Kết quả đo anten thực tế .......................................................................................................... 47
3.4.4. So sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng ...................................................................50
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 53
PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 55
vi
Luận văn tốt nghiệp Cao học
2014
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu
Tên Tiếng Anh
Tên Tiếng Việt
1
LTE
Long-Term Evolution
Sự phát triển dài hạn
2
4G
Fourth-Generations
Thế hệ thứ tƣ
3
GSM
Global System Mobile
Hệ thống di động
toàn cầu
4
3GPP
Generation
Partnership Project
-
5
3G
Third Generations
Thế hệ thứ ba
6
DCS
Digital Cellular
Service
Dịch vụ di động kỹ
thuật số
PCS
Personal
Communications
Service
Dịch vụ truyền thông
cá nhân
PCB
Printed Circuit Board
Bo mạch in
UTMF
Universal Mobile
Telecommunication
System
Hệ thống thông tin di
động phổ biến
7
8
9
vii
Luận văn tốt nghiệp Cao học
2014
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 - Logo LTE ............................................................................................................ 3
Hình 1. 2 - Các tùy chọn nâng cấp lên LTE ......................................................................... 4
Hình 1. 3 - Một số mẫu anten 4G/LTE đã được công bố ..................................................... 8
Hình 2. 1 - Một hệ thống truyền phát vơ tuyến điển hình................................................... 10
Hình 2. 2 - Anten dây dẫn ................................................................................................... 12
Hình 2. 3 - Anten vi dải ...................................................................................................... 12
Hình 2. 4 - Các loại anten mảng ........................................................................................ 13
Hình 2. 5 - Anten mạch in đa băng ..................................................................................... 14
Hình 2. 6 - Các loại điện thoại thông thường .................................................................... 15
Hình 2. 7 - Nguyên lý hoạt động cơ bản của một anten phát ............................................. 16
Hình 2. 8 - Các trường bức xạ tại khu xa ........................................................................... 16
Hình 2. 9 - Hệ thống tọa đổ để phân tích anten ................................................................. 17
Hình 2. 10 - Giản đồ bức xạ vơ hướng của một anten ....................................................... 18
Hình 2. 11 - Giản đồ bức xạ trong mặt phẳng E và mặt phẳng H cho anten loa .............. 19
Hình 2. 12 - Một mơ hình bức xạ hướng tính trong mặt phẳng ......................................... 19
Hình 2. 13 - Mơ hình bức xạ đẳng hướng - Omni .............................................................. 20
Hình 2. 14 - Các vùng trường của một anten ..................................................................... 21
Hình 2. 15 - Giản đồ bức xạ trường xa của anten parabol tại các khoảng cách R khác
nhau .................................................................................................................................... 22
Hình 2. 16 - Sự quay của sóng điện từ phẳng phân cực elip là hàm theo thời gian .......... 28
Hình 2. 17 - Cấu trúc của đường truyền vi dải .................................................................. 30
Hình 2. 18 - Giản đồ trường của một đường vi dải ............................................................ 31
Hình 2. 19 - Cấu trúc của anten vi dải đơn giản nhất........................................................ 32
Hình 2. 20 - Các hình dạng phần tử anten vi dải cơ bản thường được dùng trong thực tế
............................................................................................................................................ 33
Hình 2. 21 - Các hình dạng kiểu khác cho các phần tử anten vi dải ................................. 33
Hình 2. 22 - Một vài dipole mạch in và vi dải .................................................................... 33
Hình 2. 23 - Một số anten khe mạch in cơ bản với các cấu trúc tiếp điện ......................... 34
Hình 2. 24 - Vài cấu hình anten sóng chạy vi dải mạch in ................................................ 34
Hình 2. 25 – Phần tử anten vi dải hình chữ nhật ............................................................... 36
Hình 3. 1 - Sơ đồ khối thể hiện quá trình thiết kế và mơ phỏng anten ............................... 39
Hình 3. 2 - Mặt bức xạ và mặt phẳng đất của anten .......................................................... 40
Hình 3. 3 - Mơ hình anten trong khơng gian hai chiều và ba chiều................................... 40
Hình 3. 4 - Đồ thị hệ số suy hao S11 ................................................................................... 41
Hình 3. 5 - Đồ thị bức xạ trong không gian 2 chiều và 3 chiều tại tần số 1800MHz ........ 42
Hình 3. 6 - Đồ thị bức xạ trong không gian 2 chiều và 3 chiều tại tần số 2600MHz ........ 42
Hình 3. 7 - Mẫu anten chế tạo thực tế ................................................................................ 43
Hình 3. 8 – Mơ hình thiết lập hệ đo anten tại Khoa ĐTVT của trường ĐH Công Nghệ ... 43
Hình 3. 9 - Hệ số suy hao do phản xạ của anten thiết kế được xuất ra từ máy đo ............ 44
viii
Luận văn tốt nghiệp Cao học
2014
Hình 3. 10 – Một số hình ảnh thiết lập phịng đo tại Cục tần số ....................................... 49
Hình 3. 11 – Kết quả đo giản đồ bức xạ của anten thực tế ................................................ 50
Hình 3. 12 – Kết quả so sánh hệ số suy hao do phản xạ (S11) giữa thực tế và mô phỏng.. 50
Hình 3. 13 – Kết quả so sánh giản đồ bức xạ giữa thực tế và mô phỏng tại tần số 1800
MHz .................................................................................................................................... 52
Hình 3. 14 - Kết quả so sánh giản đồ bức xạ giữa thực tế và mô phỏng tại tần số 2600
MHz .................................................................................................................................... 52
ix
Luận văn tốt nghiệp Cao học
2014
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1 - Các thông số kỹ thuật của LTE.......................................................................... 4
Bảng 1. 2- Băng tần hoạt động của LTE .............................................................................. 5
Bảng 2. 1- Các yếu tố ảnh hƣởng tới Công nghệ và Thiết kế anten thời gian gần đây ...... 10
Bảng 3. 1 - Kết quả của đồ thị hệ số suy hao do phản xạ ................................................... 41
Bảng 3. 2 - So sánh giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo thực tế băng thông và hệ số suy
hao do phản xạ S11 của mẫu anten thiết kế ......................................................................... 51
x
Luận vănCao học
2014
MỞ ĐẦU
G
ần đây, đặc biệt là sau năm 2000, anten vi dải đƣợc sử dụng rất nhiều trong các
thiết kế anten dành cho điện thoại di động thế hệ mới nhằm thỏa mãn các yêu
cầu về băng thông của hệ thống truyền thông di động tế bào, bao gồm GSM
(Global System for Mobile communication, 890-960 MHz), DCS (Digital
Communication
System,
1710-1880
MHZ),
UMTS
(Universal
Mobile
Telecommunication System, 1920-2170 MHz). Và mới đây nhất là anten dành cho điện
thoại di động thế hệ mới sử dụng công nghệ 4G/LTE hoạt động ở hai dải tần (1800 MHz
và 2600 MHz). Anten phẳng cũng rất thích hợp đối với ứng dung trong các thiết bị truyền
thông cho hệ thống mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network, WLAN)
trong các dải tần 2.4 GHz (2400-2484 MHz) và 5.2 GHz (5150-5350 MHz).
Anten vi dải thƣờng có băng thơng hẹp, và việc mở rộng băng thông cũng là nhu cầu
rất cần thiết đối với nhiều ứng dụng thực tế hiện nay. Ngoài ra, việc thiết kế anten cho các
loại thiết bị di động cầm tay có kích thƣớc càng ngày càng thu nhỏ nhƣ hiện nay cũng gặp
rất nhiều khó khăn. Do đó, việc giảm kích thƣớc và mở rộng băng thơng đang là xu hƣớng
thiết kế chính cho các ứng dụng thực tế của anten vi dải. Nhiều sự cải tiến đáng kể để
thiết kế anten vi dải với đặc tính băng rộng, nhiều băng tần, và tăng ích cao đã đƣợc báo
cáo trong một vài năm gần đây.
Luận văn tập trung thiết kế một anten vi dải băng rộng và đa dải tần cho thiết bị di
động sử dụng công nghệ 4G/TE ở hai băng tần 1800MHz và 2600 MHz. Luận văn sử
dụng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế và mô phỏng. Mạch chế tạo thực tế đƣợc làm
trên vật liệu FR4.
Luận văn đƣợc trình bày trong ba chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tìm hiểu về cơng nghệ 4G/LTE trên thiết bị di động thế hệ mới.
Chƣơng 2: Lý thuyết anten cho hệ thống thông tin di động, lý thuyết về anten vi dải, một
số thông số cơ bản của anten như hệ số tăng ích, độ định hướng, băng thơng, mơ hình
bức xạ, sự phân cực...
1
Luận vănCao học
2014
Chƣơng 3: Quá trình thiết kế, chế tạo và đoanten cho thiết bị di động 4G/LTE hoạt động
ở hai dải tần 1800 MHz và 2600 MHz dùng công nghệ mạch dải.
Bằng những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, kết hợp với mô phỏng luận văn đã thực
hiện đƣợc những nội dung chính sau đây:
Nghiên cứu lý thuyết về anten và anten vi dải.
Nêu ra nguyên lý và các phương pháp để xây dựng anten vi dải băng rộng và anten
có khả năng hoạt động tại nhiều dải tần.
Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten vi dải dẹt có cấu trúc xoắn, tiếp điện dùng
đường truyền mạch dải.
Đo đạc và đánh giá các đặc tính của anten được thiết kế như: tần số cộng hưởng,
băng thông, trở kháng vào, giản đồ bức xạ thực tế, hệ số tăng ích.
Luận văn này đƣợc thực hiện tại Bộ mơn thông tin vô tuyến, khoa Điện tử Viễn thông
theo hƣớng dẫn của PGS. TS. Trƣơng Vũ Bằng Giang
2
Luận vănCao học
2014
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN
CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. Các hệ thống thông tin di động từ 1G đến 3G
1G là chữ viết tắt của công nghệ điện thoại không dây thế hệ đầu tiên (1st
Generation). Các điện thoại chuẩn analog, sử dụng cơng nghệ 1G với tín hiệu tƣơng tự
(analog), đƣợc giới thiệu trên thị trƣờng vào những năm 1980.Sau đó, xuất hiện các điện
thoại kỹ thuật số, dùng công nghệ 2G, với sóng số (digital). Thế hệ thứ hai 2G của mạng
di động chính thức ra mắt trên chuẩn GSM của Phần Lan, với ba lợi ích hơn hẳn so với
thế hệ 1G là cuộc gọi đƣợc mã hóa kỹ thuật số bảo mật tốt hơn, tăng hiệu quả kết nối các
thiết bị, và bắt đầu có khả năng thực hiện các dịch vụ số liệu trên điện thoại di động –
khởi đầu là tin nhắn SMS.Hiện nay, điện thoại di động 3G là công nghệ truyền thông thế
hệ thứ 3, không chỉ cung cấp dịch vụ thoại kỹ thuật số, nó cịn cho phép truyền cả dữ liệu
thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh SMS, hình ảnh,
video...)[2].
1.2. Hệ thống thơng tin di động 4G/LTE (Long Term Evolution)
1.2.1. Công nghệ 4G/ LTE
LTE (viết tắt của cụm từ Long Term Evolution) còn đƣợc gọi là E-UTRA (viết tắt
của cụm từ Evolved Universal Terrestrial Radio Access), công nghệ này đƣợc coi nhƣ
công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G, nhƣng thực chất LTE mới chỉ đƣợc coi nhƣ 3,9 G
[3]). 4G LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện
thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu.
Hình 1. 1- Logo LTE
3
Luận vănCao học
2014
Công nghệ LTE dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và UMTS/HSPA, LTE
nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt các giải pháp công nghệ khác nhƣ lập
lịch phụ thuộc kênh và thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lƣợng và
tốc độ dữ liệu. Các tiêu chuẩn của LTE đƣợc tổ chức 3GPP (Dự án đối tác thế hệ thứ 3)
ban hành và đƣợc quy định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của Phiên bản 8
[10](Release 8), với những cải tiến nhỏ đƣợc mô tả trong Phiên bản 9.
Hình 1. 2- Các tùy chọn nâng cấp lên LTE
1.2.2. Các thông số kỹ thuật
Bảng 1. 1 - Các thông số kỹ thuật của LTE
Dải tần số
Các băng FDD UMTS và TDD UMTS
Băng thông kênh, 1 khối
1,4 MHz 3 MHz
tài ngun = 180 kHz
Mơ hình điều chế
5 MHz
10 MHz
15 MHz
20 MHz
DL: OFDMA
UL: SC-FDMA
Đa truy nhập
DL: OFDMA
UL: SC-FDMA
Công nghệ MIMO
DL: Có nhiều lựa chọn cấu hình MIMO để phân cực phát,
điều chế khơng gian và phân cực trễ vịng (tối đa 4 anten ở
trạm gốc và đầu cuối).
UL: Đa ngƣời dùng kết hợp MIMO
4
Luận vănCao học
2014
Tốc độ dữ liệu lớn nhất
DL: 150 Mb/s (UE nhóm 4, 2x2 MIMO, 20 MHz), 300
Mb/s (UE nhóm 5, 4x4 MIMO, 20 MHz)
UL: 75 Mb/s (20 MHz)
1.2.3. Băng tần triển khai LTE
Công nghệ LTE phù hợp triển khai trên độ rộng băng tần trong phạm vi từ 1,25
MHz đến 20 MHz, hơn thế nữa, nó có thể hoạt động trong tất cả các băng tần 3GPP theo
cặp phổ tần hoặc không theo cặp phổ tần. Nhƣ vậy, mạng LTE có thể triển khai trên bất
cứ băng tần nào đƣợc sử dụng bởi các hệ thống 3GPP.
Băng tần hoạt động dành cho công nghệ LTE đƣợc khuyến nghị trong 3GPP TS
36.101 version 10.3.0 Release 10 đƣợc chỉ ra nhƣ trong bảng dƣới đây.
Bảng 1. 2- Băng tần hoạt động của LTE
STT
Băng tần hoạt động trên
đƣờng lên (MHz)
Băng tần hoạt động trên
đƣờng xuống (MHz)
Chế độ truyền
( FUL_low - FUL_high)
(FDL_low - FDL_high)
1
1920 – 1980
2110 – 2170
FDD
2
1850 – 1910
1930 – 1990
FDD
3
1710 – 1785
1805 – 1880
FDD
4
1710 – 1755
2110 – 2155
FDD
5
824 – 849
869 – 894
FDD
61
830 – 840
875 – 885
FDD
5
Luận vănCao học
STT
2014
Băng tần hoạt động trên
đƣờng lên (MHz)
Băng tần hoạt động trên
đƣờng xuống (MHz) Chế độ truyền
( FUL_low - FUL_high)
(FDL_low - FDL_high)
7
2500 – 2570
2620 – 2690
FDD
8
880 – 915
925 – 960
FDD
9
1749,9 – 1784,9
1844,9 – 1879,9
FDD
10
1710 – 1770
2110 – 2170
FDD
11
1427,9 – 1447,9
1475,9 – 1495,9
FDD
12
699 – 716
729 – 746
FDD
13
777 – 787
746 – 756
FDD
14
788 – 798
758 – 768
FDD
15
Dự trù
Dự trù
FDD
16
Dự trù
Dự trù
FDD
17
704 – 716
734 – 746
FDD
18
815 – 830
860 – 875
FDD
19
830 – 845
875 – 890
FDD
20
832 – 862
791 – 821
FDD
21
1447,9 – 1462,9
1495,9 – 1510,9
FDD
23
2000 – 2020
2180 – 2200
FDD
24
1626,5 – 1660,5
1525 – 1559
FDD
25
1850 – 1915
1930 – 1995
FDD
33
1900 – 1920
1900 – 1920
TDD
34
2010 – 2025
2010 – 2025
TDD
35
1850 – 1910
1850 – 1910
TDD
...
...
6
Luận vănCao học
STT
2014
Băng tần hoạt động trên
đƣờng lên (MHz)
Băng tần hoạt động trên
đƣờng xuống (MHz) Chế độ truyền
( FUL_low - FUL_high)
(FDL_low - FDL_high)
36
1930 – 1990
1930 – 1990
TDD
37
1910 – 1930
1910 – 1930
TDD
38
2570 – 2620
2570 – 2620
TDD
39
1880 – 1920
1880 – 1920
TDD
40
2300 – 2400
2300 – 2400
TDD
41
2496 - 2690
2496 – 2690
TDD
42
3400 - 3600
3400 – 3600
TDD
43
3600 – 3800
3600 – 3800
TDD
Chú ý 1: Băng 6 không sử dụng
1.2.4. Tổng quan vềAnten 4G/LTE
Mục tiêu của LTE (Long Term Evolution) là tăng dung lƣợng và tốc độ truyền dữ
liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế và xử lý tín
hiệu số (DSP). Cơng nghệ LTE có thể tăng tốc độ lên gấp 10 lần so với tốc độ của mạng
3G cho các thiết bị di động nhƣ điện thoại thơng minh, máy tính bảng, máy tính xách
tay,… Tiêu chuẩn LTE có thể hoạt động ở nhiều băng tần khác nhau từ 400MHz đến
4GHz [4].
Trong thực tế, Anten 4G/LTE cho điện thoại di động đã đƣợc thiết kế với rất nhiều
hình dạng, kích cỡ và mục đích khác nhau. Trong tài liệu tham khảo [5] là thiết kế của
một anten đa băng cho điện thoại di động 4G/LTE (700MHz/2,5-2,7GHz) với tổng diện
tích: 38mmx50mm (đối với phần anten) và 82mmx50mm (đối với phần đất). Anten đã
đƣợc thiết kế trên tấm vật liệu FR4 có (εr=4,4) với kích thƣớc 120mmx50mm, độ dày
h=0.762. Trong tài liệu [6], một anten đƣợc thiết kế cho LTE 700, GSM 850, 900, DCS
1800, PCS1900, và LTE 2300, 2500 UMTS trên tấm vật liệu FR4 có (εr=4,4) với kích
thƣớc 120mmx60mmx0,8mm và 34mmx12mmx6,5mmm (đối với phần anten đƣợc thiết
kế). Tài liệu tham khảo [7] cũng là một thiết kế anten đa băng cho các ứng dụng
7
Luận vănCao học
2014
(LTE700/ WCDMA/ UMTS/ WIMAX/ WLAN) và cũng đã đƣợc thiết kế trên vật liệu
FR4 nhƣng với (εr=4,5) với kích thƣớc của s1 = 112mm x 50mm, độ dày h1=1mm.
Hình 1. 3- Một số mẫu anten 4G/LTE đã được công bố
Ngày nay, anten vi dải đã trở nên phổ biến, chúng xuất hiện ở hầu hết các ứng dụng
truyền thơng khơng dây. Anten vi dải có khả năng làm việc trong một dải tần số rất lớn, từ
100MHz – 100GHz. Bên cạnh đó, loại anten này mang lại nhiều lợi ích trong việc cải tiến
các dịch vụ truyền thơng khơng dây, chẳng hạn nhƣ: kích thƣớc nhỏ, trọng lƣợng nhẹ, dễ
dàng để thiết kế và chế tạo với chi phí giá thành sản xuất thấp.
1.3. Kết luận
Qua những phân tích về tiến trình phát triển của các hệ thống thơng tin di động nêu
trên, chúng ta có thể thấy rằng: kỹ thuật anten đã có những tiến bộ vƣợt bậc trong những
năm gần đây và vẫn đang không ngừng phát triển. Cùng với đó là sự phát triển của anten
vi dải, chúng đã dần trở nên phổ biến trong việc thiết kế anten có kích thƣớc nhỏ nhằm
tích hợp trên các thiết bị di động cầm tay cũng nhƣ các thiết bị đầu cuối trong hệ thống
8
Luận vănCao học
2014
thơng tin vơ tuyến. Ngồi kích thƣớc nhỏ, một số ƣu điểm khác của anten vi dải nhƣ khối
lƣợng nhẹ, giá thành thấp, dễ dàng thiết kế, chế tạo cùng với khả năng tích hợp bề mặt tốt.
Trong luận văn này, tôi đã thiết kế và chế tạo một mẫu anten sử dụng công nghệ
mạch dải dùng cho điện thoại di động thế hệ mới 4G/ LTE ở hai băng tần 1800MHz và
2600MHz. Thiết kế đƣợc mô phỏng và chế tạo trên tấm vật liệu FR4 có hằng số điện môi
(εr=4.4), độ dày tấm vật liệu h=1.2mm và kích thƣớc 3D là 20mm x 50mm x 1.2mm.
9
Luận vănCao học
2014
CHƢƠNG 2
ANTEN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG
2.1. Anten trong hệ thống thông tin di động
Anten đƣợc phân loại là "một thiết bị kim loại thƣờng (dạng thanh hay dạng dây kim
loại) cho phép bức xạ và thu nhận sóng vơ tuyến". Bên cạnh đó, anten cũng đƣợc xác định
là "một phƣơng tiện để phát sóng hoặc nhận sóng radio". Vì vậy, anten giống nhƣ các
thiết bị chuyển tiếp giữa khơng gian bên ngồi và các thiết bị truyền dẫn bao gồm các
đƣờng cáp đồng trục hay ống dẫn sóng. Đƣờng truyền hoặc thiết bị truyền dẫn đƣợc sử
dụng để truyền sóng điện từ từ nguồn phát đến anten và từ anten đến nơi tiếp nhận.
Hình 2. 1 - Một hệ thống truyền phát vô tuyến điển hình
Cơng nghệ anten hiện đại hỗ trợ việc thiết kế anten mạch in cho các hệ thống thông
tin di động khác nhau, đặc biệt là cho trạm cơ sở và thiết bị đầu cuối di động. Bảng 2.1
cho thấy xu hƣớng công nghệ và thiết kế anten gần đây [8].
Bảng 2. 1- Các yếu tố ảnh hƣởng tới Công nghệ và Thiết kế anten thời gian gần đây
Yếu tố
Xu hƣớng
Hạn chế băng thông và nhu cầu sử Mở rộng băng thông, cải thiện hiệu xuất, loại bỏ
dụng
nhiễu, sử dụng anten bƣớc sóng milimet
Sự tăng trƣởng đáng kể trong di Anten mới nhỏ, gọn, hiệu suất cao hơn chođiện
động/ hệ thống thông tin liên lạc cá thoại di động và các hệ thống không dây di động
10
Luận vănCao học
nhân
2014
khác.
Nâng cao khả năng truyền dữ liệu Anten thơng minh, anten thích nghi và các hệ
và truyền thơng tin
thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO)
Phát triển các hệ thống di động
Thiết kế anten thích hợp cho mỗi hệ thống
không dây mới
Tăng trƣởng trong truyền thông vệ Anten có khơng gian hoạt động hiệu suất cao
tinh di động
hơn cung cấp các hoạt động đa chức năng
Liên kết với giáo thức mạng (IP) và
mạng truyền dẫn quang
Anten nhỏ với hiệu suất cao cho thiết bị di động
Thông tin về giao thông thông
Anten đƣợc thiết kế đặc biệt cho cả phƣơng tiện
minh, điều khiển, an tồn, và các hệ
giao thơng và cơ sở hạ tầng bên đƣờng
thống quản lý
Phát triển và ứng dụng vật liệu mới
Thiết kế lại các mẫu anten, và tạo ra các anten
mớinhỏ, đa chức năng với hiệu suất cao, ứng
dụng siêu vật liệu vào cấu trúc anten
Củng cố phƣơng pháp thiết kế để tạo ra anten
Nâng cao độ chính xác cho các hiệu suất cao hơn, phát triển các phƣơng pháp
máy tính mơ phỏngđể phân tích, mơ phỏng điện từ (EM) một cách chính xác để
thiết kế và đo lƣờng
đối phó với những anten có cấu trúc nhỏ, phức
tạp
Nâng cao nhận thức của công Ƣu tiên cho các anten có cơng suất truyền dẫn
chúng về an toàn bức xạ EM
thấp hơn, giảm EMI và SAR
Nâng cao sự phát triển các chức Anten đƣợc thiết kế đặc biệt theo từng mục đích.
năng cho điện thoại di động hoặc Nghiên cứu việc truyền tín hiệu qua cơ thể con
thông tin liên lạc
ngƣời và sự phát triển của antenghép.
Trong các hệ thống thông tin di động, mỗi ứng dụng địi hỏi một loại anten khác
nhau. Có nhiều loại anten nhƣ anten dây dẫn, anten khẩu độ, anten vi dải, anten mảng,
anten phản xạ và anten ống kính ... Thứ nhất, anten dây dẫn là một loại anten thƣờng
đƣợc sử dụng trong một số ứng dụng nhƣ ô tô, nhà cửa, tàu v.v. Có một số hình dạng
khác nhau của anten dây ví dụ dây thẳng, mạch kín (hình trịn, hình chữ nhật, hình vng,
hình elip ...) và anten xoắn.
11
Luận vănCao học
2014
Hình 2. 2 - Anten dây dẫn
(a). Anten lưỡng cực
(b). Anten mạch kín hình trịn
(c). Anten xoắn
Thứ hai, đó làanten khẩu độ là loại anten phức tạp hơn loại dây. Các anten khẩu độ
thƣờng đƣợc sử dụng ở tần số cao hơn và rất hữu ích cho các ứng dụng trên máy bay hay
tàu vũ trụ. Một số hình dạng củaantenkhẩu độlà kim tự tháp, hình chóp nón và ống dẫn
sóng hình chữ nhật.
Thứ ba, đó là một antenthông thƣờng – Anten vi dải. Trong những năm qua, các
antenvi dải đƣợc sử dụng cho các ứng dụng truyền trong khơng gian. Tuy nhiên, ngày
nay, nó thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng chính phủ và thƣơng mại nhƣ bề mặt của
máy bay hiệu suất cao, tàu vũ trụ, vệ tinh, xe hơi, đặc biệt là điện thoại di động. Nó bao
gồm một mảng kim loại trên chất nền. Các mảng kim loại của antenvi dải có thể đƣợc
thiết kế với hình chữ nhật hoặc hình trịn hoặc các hình thức khác nhau. Các antenvi dải
thƣờng khơng tốn kém, dễ dàng để phân tích và chế tạo sử dụng cơng nghệ mạch in hiện
đại.
Hình 2. 3 - Anten vi dải
(a). Mặt bức xạ hình chữ nhật
(b). Mặt bức xạ hình trịn
12
Luận vănCao học
2014
Tiếp theo, anten mảng là một loại anten với sự sắp xếp của các phân tử nhỏ hơn. Các
mạng anten có thể chứa các mảng dây, mảng khẩu độ hoặc mảng vi dải.
Hình 2. 4 - Các loại anten mảng
Hơn nữa, đó là loại anten phản xạ và anten ống kính đƣợc sử dụng cho một số ứng
dụng truyền thông trên một khoảng cách rất lớn (hàng triệu dặm) và yêu cầu các mẫu tinh
vi.
2.2. Anten cho điện thoại di động cầm tay
Hiện nay, một trong hai xu hƣớng chính trong thiết kế anten đƣợc thiết kế cho các
hệ thống điện thoại di động địi hỏi phải có cấu hình thấp, tính linh hoạt, nhỏ gọn, tích
hợp với các vật liệu thơng dụng, đặc biệt là kích thƣớc nhỏ, trọng lƣợng nhẹ, tích hợp và
nhiều dải băng tần.
Điện thoại di động sử dụng một anten tích hợp nhiều dải băng đó có thể bao gồm
một số tiêu chuẩn tần số ví dụ GSM 800, 900, 1800, 1900 MHz và UMTS, WCDMA 1.8,
1.9, 2.1 và 2.5 GHz và LTE 1.8, 2.6 GHz. Các dải tần số của tiêu chuẩn trên có thể đƣợc
xác định nhƣ sau:
Băng tần CDMA cịn được gọi là băng tần AMPS (850MHz): 824-894 MHz
Băng tần GSM còn được gọi là băng tần 900 MHz: 890-960 MHz
Băng tần GPS: 1575 MHz
Băng tần DCS còn được gọi là băng tần 1800 MHz: 1710-1880 MHz
13
