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

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

NGUYỄN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
ANTEN 4G THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội, 2018


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

NGUYỄN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
ANTEN 4G THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LÂM HỒNG THẠCH

Hà Nội, 2018


1

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

Nguyễn Trung Hiếu


2

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Lâm Hồng
Thạch - giảng viên viện Điện tử - Viễn thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội là người
trực tiếp hướng dẫn, cung cấp kiến thức nền tảng, giúp đỡ về mặt khoa học cũng như cung
cấp những tài liệu chun ngành cần thiết để tơi có thể hồn thành luận án thạc sỹ kỹ thuật
về chuyên ngành anten.
Đồng thời tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới bộ môn Hệ thống viễn thông, viện Điện
tử Viễn thông, viện Đào tạo Sau Đại học – trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình học tập, rèn luyện trong chương trình đào
tạo thạc sỹ kỹ thuật tại trường.
Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tồn thể gia đình tơi đã ni
dưỡng và tạo điều kiện cho tôi được như ngày hôm nay, cảm ơn những người luôn ở bên
tôi và ủng hộ tôi. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên thực hiện

Nguyễn Trung Hiếu

3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... 2
MỤC LỤC ........................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................................... 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................ 9
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 10
Lý do chọn đề tài nghiên cứu....................................................................................... 10
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 12
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..................................................................................... 13
Cấu trúc nội dung của luận án .................................................................................... 13
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 4G THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO
TRẠM BTS
1.1. Cơng nghệ mạng LTE ......................................................................................... 15
1.2.1. Q trình phát triển ......................................................................................... 15
1.1.2. Công nghệ mạng LTE ...................................................................................... 16
1.2. Công nghệ LTE-A và những cải tiến so với công nghệ LTE .......................... 17
1.2.1. Công nghệ LTE-A ........................................................................................... 17
1.2.2. Những cải tiến so với cơng nghệ LTE ............................................................. 18
1.3. Q trình phát triển hệ thống anten dùng trong trạm thu phát sóng di động
1.4. Anten chấn tử đối xứng và các tham số cơ bản................................................ 27
1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................................... 31
CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT NHẰM CẢI THIỆN BĂNG THÔNG VÀ HỆ
SỐ TĂNG ÍCH CHO ANTEN 4G THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS
2.1. Giải pháp mở rộng dải tần hoạt động bằng cách sử dụng anten chấn tử đối
xứng mạch in dạng nơ .................................................................................................. 32
2.1.1. Cơ sở giải pháp ............................................................................................... 32
2.1.2. Phân tích thiết kế ............................................................................................ 33

2.1.3. Các kết quả mô phỏng .................................................................................... 35
2.2. Giải pháp sử dụng cấu trúc khe tạo thêm tần số cộng hưởng ........................ 37
2.2.1. Cơ sở giải pháp ............................................................................................... 37
2.2.2. Phân tích thiết kế ............................................................................................ 38


4

2.2.3. Các kết quả mô phỏng .................................................................................... 39
2.3. Sử dụng phần tử kí sinh (parasitic) ................................................................... 40
2.3.1. Cơ sở giải pháp ............................................................................................... 41
2.3.2. Phân tích thiết kế ............................................................................................ 41
2.3.3. Các kết quả mô phỏng .................................................................................... 42
2.4. Giải pháp cải thiện hệ số tăng ích bằng cách sử dụng bề mặt phản xạ ......... 45
2.4.1. Cơ sở giải pháp ............................................................................................... 45
2.4.2. Phân tích thiết kế ............................................................................................ 46
2.4.3. Các kết quả mơ phỏng .................................................................................... 46
2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................... 48
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO PHẦN TỬ
ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG MẠCH IN DẠNG NƠ ĐÁP ỨNG TIÊU CHUẨN
LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS
3.1. Thiết kế phối hợp trở kháng cho anten............................................................. 50
3.2. Mô phỏng đánh giá kết quả anten hoàn chỉnh ................................................. 56
3.3. Kết quả đo lường ................................................................................................. 62
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ
THỐNG ANTEN THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO TRẠM BTS
4.1. Cơ sở giải pháp sử dụng mảng anten nhằm đáp ứng chuẩn LTE-A dùng cho
trạm BTS ....................................................................................................................... 66
4.1.1. Hệ thống thẳng................................................................................................ 66
4.1.2. Hệ thống phẳng ............................................................................................... 69

4.2. Thiết kế bộ chia công suất .................................................................................. 71
4.3. Mô phỏng đánh giá kết quả hệ thống anten mảng .......................................... 72
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 77
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH ......................................................... 80


5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
LTE-A
MIMO
GPRS
EDGE
GSM
VoLTE
ViLTE
OFDMA
FDD
TDD
CA
UE
SINR
TM
QoS
AAS
VSWR
SM

BF
CPW
TL

Mô tả Tiếng Anh
Long Term Evolution Advanced

Mô tả Tiếng Việt
Công nghệ mạng 4G nâng cao

Công nghệ nhiều đầu vào,
nhiều đầu ra
Dịch vụ dữ liệu di động dạng
General Packet Radio Service
gói cho mạng GSM
Enhanced Data rate for GSM
Công nghệ truyền dữ liệu
Evolution
nâng cấp trong mạng GSM
Global System for Mobile
Công nghệ mạng di động thế
Communication
hệ thứ 2
Voice over LTE
Thoại qua mạng LTE
Gọi hình ảnh và âm thanh qua
Video over LTE
mạng LTE
Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần
Multiple Access

số trực giao
Kỹ thuật song công phân chia
Frequency Division Duplex
theo tần số
Kỹ thuật song công phân chia
Time Division Duplex
theo thời gian
Carrier Aggregation
Cộng hưởng sóng mang
User Equiment
Thiết bị người dùng đầu cuối
Singal Intereference Noise
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu và tạp
Ratio
âm
Transmission Mode
Kiểu truyền
Quality of Service
Mức chất lượng dịch vụ
Active Antenna System
Hệ thống anten chủ động
Volt Standing Wave Ratio
Tỉ số sóng đứng điện áp
Spatial Multiplexing
Ghép kênh khơng gian
Beam Forming
Kỹ thuật định hướng búp sóng
Co-planar Waveguide
Ống dẫn sóng đồng phẳng
Transmission Line

Đường truyền
Multi Input – Multi Output


6

DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Q trình phát triển của mạng viễn thơng di động

16

Hình 1.2: Cấu trúc kỹ thuật cộng hưởng sóng mang

18

Hình 1.3: Kỹ thuật đa đầu vào đa đầu ra

20

Hình 1.4: Kỹ thuật truyền chuyển tiếp Relay

21

Hình 1.5: Kỹ thuật phối hợp đa điểm

21

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

22

Hình 1.7: Q trình phát triển của kỹ thuật MIMO

24

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

25

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

25

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

26

Hình 1.11: Cấu tạo anten chấn tử đối xứng

28

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

33

Hình 2.2: Mơ hình cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ và
anten chấn tử đối xứng mạch in
Hình 2.3: Hệ số phản xạ S(1,1) của anten chấn tử đối xứng mạch in dạng

nơ
Hình 2.4: Hệ số phản xạ S(1,1) của anten chấn tử đối xứng mạch in
Hình 2.5: Kết quả thể hiện phối hợp trở kháng tại tần số f = 2.2 GHz của
anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ đề xuất
Hình 2.6: Kết quả thể hiện phối hợp trở kháng tại tần số f = 2.2 GHz của
anten chấn tử đối xứng mạch in
Hình 2.7: Cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ đề xuất được
tạo thêm khe

34

35
35
36

37

38


7

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

38

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

40

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

41

Hình 2.11: Mơ hình cấu trúc anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ khi
khơng có và khi có thêm phần tử kí sinh
Hình 2.12: Hệ số phản xạ S(1,1) của anten chấn tử đối xứng mạch in dạng
nơ
Hình 2.13: Hệ số phản xạ S(1,1) của anten chấn tử đối xứng mạch in dạng
nơ khi thêm phần tử kí sinh
Hình 2.14: Đồ thị bức xạ anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ
Hình 2.15: Đồ thị bức xạ anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ sau khi
thêm phần tử kí sinh

41

43

43
44
44

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

45

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

46

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

47

Hình 2.19: Hệ số phản xạ S(1,1) của mẫu anten khi khơng dùng bề mặt
phản xạ
Hình 2.20: Hệ số phản xạ S(1,1) của mẫu anten khi dùng bề mặt phản xạ
Hình 3.1: Cấu trúc anten chấn tử đối xứng kết hợp với đường truyền vi
dải và đường truyền dạng khe

47
48
50

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

50

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

51

Hình 3.4: Đặc tính trở kháng anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ đề
xuất sau tối ưu tại tần số f = 2.2 GHz
Hình 3.5: Đặc tính trở kháng anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ
hồn chỉnh
Hình 3.6: Cấu trúc mẫu anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ hoàn
chỉnh

53

54

55


8

Hình 3.7: Đặc tính trở kháng của mẫu anten chấn tử đối xứng mạch in
dạng nơ hồn chỉnh
Hình 3.8: So sánh băng thông hoạt động của mẫu anten khi sử dụng phần
tử kí sinh
Hình 3.9: So sánh hệ số tăng ích trong dải tần hoạt động của mẫu anten
khi sử dụng phần tử kí sinh và bề mặt phản xạ
Hình 3.10: So sánh hệ số tăng ích trong dải tần hoạt động của mẫu anten
khi sử dụng phần tử kí sinh và bề mặt phản xạ tại tần số f = 2.2 GHz
Hình 3.11: Mơ hình anten sau khi chế tạo thực tế: (a) mặt trước, (b) mặt
sau
Hình 3.12: Mẫu anten sau khi kết nối với giắc SMA: (a) mặt trước, (b)
mặt sau
Hình 3.13: Kết quả đo lường hệ số suy hao phản xạ S(1,1) của mẫu anten
Hình 3.14: Kết quả so sánh hệ số suy hao phản xạ S(1,1) giữa mơ phỏng
và đo lường

56

57

58

59

61

62
62
63

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

66

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

67

Hình 4.3. Đồ thị hàm phương hướng biên độ chuẩn hóa FKN

69

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

70

Hình 4.5: Các dạng bộ chia cơng suất được sử dụng

72

Hình 4.6: Mơ hình bộ chia cơng suất

73

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

74

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

74

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

75


9

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang
Bảng 1.1: Kích thước tiêu chuẩn cho hệ thống anten đáp ứng từng loại tần
số
Bảng 1.2: Hệ số tăng ích và kích thước hệ thống anten hoạt động trên các
công nghệ mạng
Bảng 2.1: Các thông số kĩ thuật của anten chấn tử đối xứng dạng nơ
Bảng 2.2: Các tham số kích thước anten chấn tử đối xứng mạch in dạng
nơ
Bảng 2.3: Các tham số kích thước anten chấn tử đối xứng mạch in
Bảng 2.4: Các tham số kích thước anten chấn tử đối xứng mạch in được

tạo khe

23

23
34
35
35
39

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

42

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

46

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

53

Bảng 3.2: Các tham số kích thước đầy đủ của anten chấn tử đối xứng
mạch in dạng nơ
Bảng 3.3: So sánh các thông số mô phỏng của mẫu anten với một số anten
của các nghiên cứu trên thế giới

56

60

10

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Công nghệ mạng di động không dây luôn phát triển không ngừng với mục tiêu phục
vụ tốt hơn với nhu cầu ngày càng tăng khơng những về số lượng mà cịn về chất lượng dịch
vụ, nhất là loại hình dịch vụ yêu cầu tốc độ cao có độ trễ thấp. Điều này địi hỏi hệ thống
anten thu phát dùng ở trạm phát sóng phải cải tiến không ngừng nhằm đáp ứng những yêu
cầu đó. Đồng thời cần phải tối ưu, giảm nhỏ kích thước hệ thống nhằm dễ dàng khi lắp đặt,
vận hành và bảo dưỡng trạm đối với khách hàng là các nhà mạng viễn thông.
Hệ thống anten dùng hiện nay tại các trạm phát sóng là mảng anten gồm nhiều phần
tử, tuy nhiên vẫn có nhiều nhược điểm cần được hồn thiện và phát triển nhằm đáp ứng yêu
cầu đặt ra trong công nghệ mạng tiếp theo là LTE-A.
Những vấn đề cịn tồn tại:
Cơng nghệ thiết kế, chế tạo anten mạch in đang phát triển rất mạnh mẽ và được ứng
dụng rộng rãi trong việc thiết kế anten dùng trong nhiều mục đích khác nhau, trong đó việc
thiết kế anten mạch in dùng cho trạm thu phát sóng đang là hướng phát triển mới với rất
nhiều triển vọng vì những ưu điểm nổi trội: cấu tạo nhỏ gọn, đặc tính dễ dàng kết hợp các
phần tử thành hệ thống có dải tần hoạt động rộng, chi phí thiết kế chế tạo thấp và dễ dàng
kết hợp tạo thành mảng anten. Tuy nhiên, nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của
các khách hàng là nhà mạng viễn thông di động thì vấn đề cải thiện các thơng số hoạt động
của anten là rất quan trọng và chính điều này đặt ra khơng ít thách thức cho việc nghiên cứu
phát triển của các nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Có thể thấy được những bài
báo, cơng trình nghiên cứu đã cơng bố ở trong và ngồi nước nhằm đưa ra tính ưu việt của
mẫu thiết kế anten như đưới đây:
Tình hình nghiên cứu quốc tế:
Nghiên cứu được đề cập tại [3], có thể thấy mẫu thiết kế anten chấn tử đối xứng mạch
in dạng nơ đã đạt được yêu cầu về băng tần hoạt động, tuy nhiên hệ số tăng ích cho một

phần tử vẫn cịn thấp trong dải tần hoạt động (chỉ từ 6 đến 8 dBi). Điều này tương tự với
nghiên cứu [23] khi hệ số tăng ích đạt được tại các tần số hoạt động công nghệ LTE chỉ là


11

từ 6 đến 7 dBi. Do vậy, cần phải cải thiện hệ số tăng ích để hệ số tăng ích đạt được tốt hơn
khi thiết kế hệ thống mảng anten gồm nhiều phần tử.
Với nghiên cứu đề cập tại [12], mẫu anten thiết kế là anten vi dải, băng thông hoạt
động của anten là 400 MHz và hệ số tăng ích đạt được là từ 6.2 đến 7.1 dBi. Với yêu cầu
truyền thông băng rộng hiện nay, băng thông cần được cải thiện hơn nữa nhằm đáp ứng
nhu cầu ngày càng cao của người dùng. Ngoài ra hệ số tăng ích cũng tương đương với [3]
và [23] và cần được cải thiện thêm.
Rõ ràng rằng việc cải thiện thông số về hệ số tăng ích và băng thơng hoạt động của
anten còn nhiều vấn đề cần giải quyết và tối ưu. Điều này chính là nhằm cải thiện chất
lượng của hệ thống thông tin vô tuyến mà cụ thể ở đây là anten, anten là thành phần rất
quan trọng trong hệ thống. Các mẫu anten đề xuất trong các nghiên cứu trên có thiết kế khá
phức tạp (cấu tạo lắp ghép các thanh tạo thành anten), điều này làm tăng chi phí trong sản
xuất thực tế cũng như giá thành sản phẩm thực tế.
Tình hình nghiên cứu trong nước:
Năm 2017, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tác giả Nguyễn Ngọc Lan đã bảo vệ
luận án tiến sỹ với đề tài “Nghiên cứu giải pháp cải thiện một số tham số của anten mảng
trong hệ thống thông tin và định vị vơ tuyến”, trong đó đối tượng nghiên cứu của luận án là
giải pháp cải thiện tham số băng thông và hệ số tăng ích cho anten vi dải.
Năm 2016, tác giả Nguyễn Khắc Kiểm đã công bố luận án nghiên cứu về vấn đề anten
MIMO cho thiết bị di động đầu cuối tại đại học Bách Khoa Hà Nội, đối tượng nghiên cứu
trong luận án là mẫu anten đơn với mục đích nghiên cứu là giảm nhỏ ảnh hưởng tương hỗ
giữa các anten đơn trong mảng anten.
Năm 2015, tác giả Lê Văn Cung cũng đã công bố đề tài luận án thạc sỹ “Thiết kế anten
vi dải băng rộng” (đại học Đà Nẵng), đối tượng nghiên cứu là phần tử anten vi dải sau khi

thiết kế có dải tần hoạt động chỉ từ 1.95 GHz đến 2.35GHz với hệ số tăng ích đạt được chỉ
từ 7-8 dBi. Rõ ràng đây chưa phải là kết quả tối ưu cho mục đích thiết kế anten dùng cho
trạm thu phát di động.


12

Hay như vào năm 2011, tác giả Tăng Thế Toàn thuộc trường đại học Công nghệ - đại
học quốc gia Hà Nội cũng đã công bố đề tài “Nghiên cứu thiết kế mẫu anten có độ lợi cao
dùng trong truyền thông điểm – điểm”, mẫu anten được thiết kế hoạt động tại tần số cộng
hưởng 2.4 GHz với dải tần hoạt động rất hẹp từ 2.35 GHz đến 2.5 GHz.
Cùng điểm qua một số nghiên cứu nổi bật trong nước, ta có thể thấy rằng có rất ít đề
tài nghiên cứu về vấn đề thiết kế anten với việc cải thiện các tham số của anten: băng thông
hoạt động và hệ số tăng ích cho phần tử anten đơn. Đồng thời các kết quả thông số của
anten trong các mẫu thiết kế chưa đạt được kết quả phù hợp với yêu cầu của anten dùng
trong trạm thu phát sóng di động. Cùng với chủ trương của Nhà Nước về việc tự chủ trong
vấn đề thiết kế, chế tạo hệ thống anten trạm thu phát di động, giảm bớt việc nhập khẩu thiết
bị từ nước ngoài. Xuất phát từ những thực trạng này, việc nghiên cứu thiết kế và tối ưu cải
thiện tham số: băng thông hoạt động và hệ số tăng ích cho mẫu anten ứng dụng trong trạm
thu phát sóng di động đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
- Đề xuất giải pháp cải thiện tham số: băng thơng hoạt động, hệ số tăng ích cho phần
tử anten đơn.
- Nghiên cứu, thiết kế phần tử anten từ giải pháp đã đề xuất để có băng thơng hoạt
động bao phủ hết các băng tần LTE, đặc biệt là các tần số LTE phổ biến đang được triển
khai bởi các nhà mạng hiện nay như các băng tần FDD phổ biến: FDD band 3 (1800MHz),
FDD band 7 (2700MHz), các băng tần LTE TDD phổ biến: TDD band 38 (2600MHz),
TDD band 40 (2300MHz), TDD band 41 (2500MHz). Phần tử anten thiết kế có hệ số tăng
ích cao, đồ thị PHBX tốt phù hợp với yêu cầu thực tế. Phần tử anten được thiết kế phải có

kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo và có tính khả dụng cao khi áp dụng trong thực tế.
Đối tượng nghiên cứu:
- Anten chấn tử đối xứng mạch in dạng nơ có cấu tạo nhỏ gọn, dễ chế tạo trong thực
tế, đảm bảo yêu cầu băng tần hoạt động theo tiêu chí đã nêu tại mục tiêu nghiên cứu.


13

Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu đề xuất giải pháp nhằm cải thiện hai tham số cơ bản của anten: băng
thơng hoạt động và hệ số tăng ích.
- Cơng việc cần thực hiện bao gồm: phân tích, tính tốn, thiết kế, mơ phỏng, chế tạo
và đo lường để từ đó đưa ra so sánh và đánh giá nhằm đưa ra kết luận cho mẫu thiết kế.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Về mặt khoa học:
- Các kết quả đạt được của luận án sẽ góp phần phát triển trong việc chế tạo anten
trong thực tế nhằm tạo ra hệ thống anten có hệ số tăng ích cao và băng tần hoạt động rộng.
- Các kết quả của nghiên cứu trong luận án sẽ là nền tảng cho những nghiên cứu khoa
học tiếp theo trong việc phân tích thiết kế hệ thống anten dạng chấn tử đối xứng mạch in
dạng nơ.
Về mặt thực tiễn:
- Những giải pháp đề xuất trong luận án là cơ sở để áp dụng thực tiễn trong việc chế
tạo, sản xuất ra sản phẩm không chỉ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về băng tần hoạt động, hệ số
tăng ích, mà cịn dễ dàng chế tạo và hoạt động tin cậy.
Cấu trúc nội dung của luận án
Nội dung luận án bao gồm 4 chương:
Chương một trình bày tổng quan về cơng nghệ mạng LTE, q trình phát triển từ công
nghệ mạng 2G lên 3G cho đến LTE, để từ đó, cơng nghệ mạng LTE-A xuất hiện là bước
tiến hồn thiện của cơng nghệ mạng LTE với những kỹ thuật tiên tiến hơn. Để đáp ứng
được với những kỹ thuật tiên tiến áp dụng trong công nghệ mạng LTE-A thì hệ thống anten

sử dụng tại trạm thu phát sóng di động cần có sự cải thiện về hệ số tăng ích cũng như mở
rộng dải tần làm việc của anten.
Sau khi quyết định được loại anten sử dụng cho mẫu thiết kế anten trong luận án,
chương một trình bày tổng quan các tham số của mẫu anten dùng cho hệ thống anten sử
dụng tại trạm thu phát sóng di động, cũng như nguyên lý hoạt động và phương pháp phân


14

tích cho mẫu anten này. Chương một cũng đề cập cụ thể tới những nhược điểm của loại
anten sử dụng: hệ số tăng ích nhỏ, dải tần hoạt động hẹp để nhằm đưa ra một số giải pháp
nhằm cải thiện cho 2 tham số này của mẫu anten thiết kế trong luận án ở chương hai.
Chương hai trình bày một số giải pháp nhằm cải thiện băng thông và hệ số tăng ích
cho phần tử anten đề xuất thỏa mãn yêu cầu thiết kế của anten 4G theo chuẩn LTE-A dùng
cho trạm BTS. Những giải pháp này nhằm mở rộng băng tần hoạt động cho anten chấn tử
đối xứng mà không ảnh hưởng quá nhiều đến đồ thị phương hướng bức xạ. Các giải pháp
đã được đề cập tổng quan ở chương một bao gồm: sử dụng cấu trúc anten chấn tử đối xứng
mạch in dạng nơ, sử dụng cấu trúc dạng khe cho anten nhằm tạo thêm mode cộng hưởng,
sử dụng thêm phần tử kí sinh (có thể gọi là phần tử dẫn xạ theo nguyên lý anten Yagi Uda). Về vấn đề cải thiện hệ số tăng ích anten, giải pháp sử dụng bề mặt phản xạ được đề
xuất.
Chương ba trình bày chi tiết thiết kế phần tử anten hồn chỉnh với phần tử bức xạ
(anten) có kích thước được tính tốn và tối ưu ở chương hai, đồng thời áp dụng các phương
pháp tối ưu nhằm mở rộng dải tần làm việc của anten: sử dụng phần tử kí sinh và tạo cấu
trúc khe cho anten, đối với vấn đề cải thiện hệ số tăng ích cho mẫu anten, phương pháp sử
dụng bề mặt phản xạ đã phân tích ở chương hai sẽ được áp dụng.
Sau đó, luận án thiết lập mô phỏng thiết kế phần tử anten các thông số: hệ số suy hao
phản xạ S(1,1) và hệ số tăng ích của mẫu anten. Từ đó thực hiện chế tạo và đo lường kết
quả hệ số suy hao phản xạ S(1,1) và đánh giá so sánh với kết quả mơ phỏng để tìm hiểu
ngun nhân của sự sai lệch để từ đó rút ra những điểm cần khắc phục cho việc chế tạo
thực tế.

Chương bốn trình bày chi tiết thiết kế hệ thống mảng anten hoàn chỉnh với 8 phần tử
anten đã được tối ưu tại chương ba. Để từ đó thực hiện mơ phỏng và đánh giá các tham số
về dải tần hoạt động và hệ số tăng ích của hệ thống anten. Để từ đó đưa ra phương hướng
cho việc tối ưu và chế tạo hệ thống anten áp dụng trong thực tế với những yêu cầu đã đặt
ra.


15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN 4G THEO CHUẨN LTE-A DÙNG CHO
TRẠM BTS
Chương một trình bày tổng quan về cơng nghệ mạng LTE, q trình phát triển từ cơng
nghệ mạng 2G lên 3G cho đến LTE, cũng như các tiêu chuẩn kỹ thuật của cơng nghệ mạng
LTE, để từ đó, cơng nghệ mạng LTE-A xuất hiện là bước tiến hồn thiện của công nghệ
mạng LTE với những kỹ thuật tiên tiến có thể kể đến như: cộng hưởng sóng mang, MIMO
8x8… Để đáp ứng được với những kỹ thuật tiên tiến áp dụng trong cơng nghệ mạng LTEA thì hệ thống anten sử dụng tại trạm thu phát sóng di động cần có sự cải thiện mạnh mẽ
về hệ số định hướng cũng như mở rộng dải tần làm việc của anten.
Để làm được điều này, trước hết cần tìm hiểu rõ quá trình phát triển hệ thống anten
dùng cho trạm thu phát sóng di động từ quá khứ đến hiện tại, để từ đó đưa ra yêu cầu, thách
thức cần giải quyết cho việc nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo mẫu anten thỏa mãn
yêu cầu thách thức đã đặt ra.
Sau khi quyết định được loại anten sử dụng cho mẫu thiết kế anten trong luận án,
chương một đưa ra tổng quan các tham số của mẫu anten dùng cho hệ thống anten sử dụng
tại trạm thu phát sóng di động, cũng như nguyên lý hoạt động và phương pháp phân tích
cho mẫu anten này. Ngồi những ưu điểm sẽ được liệt kê chi tiết, chương một cũng sẽ đề
cập cụ thể tới những nhược điểm của loại anten sử dụng: hệ số tăng ích nhỏ, dải tần hoạt
động hẹp để nhằm đưa ra một số giải pháp nhằm cải thiện cho 2 tham số này của mẫu anten
thiết kế trong luận án. Những giải pháp này sẽ là cơ sở cho những giải pháp thiết kế nhằm
cải thiện tham số về dải tần hoạt động và hệ số tăng ích được đề cập chi tiết ở chương tiếp
theo.

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


16

Hình 1.1. Q trình phát triển của mạng viễn thơng di động

Có thể thấy rằng sự phát triển của các thế hệ mạng di động như hiện nay xuất phát từ
chính nhu cầu sử dụng kết nối khơng dây ngày càng cao của con người. Từ mục đích đơn
thuần cho việc gọi điện liên lạc một cách sơ khai (thế hệ mạng 1G), cho đến khi nhu cầu
muốn có một chất lượng cuộc gọi tốt hơn, thế hệ mạng di động 2G ra đời, đánh dấu bước
phát triển đầu tiên cho dịch vụ dữ liệu di động (GPRS, EDGE). Cho đến khi mạng di động
3G ra đời, nó giúp tối ưu hóa dịch vụ dữ liệu với băng thơng rộng hơn, tốc độ kết nối cao
hơn, bảo mật tốt hơn so với thế hệ trước đó. Và cho đến hiện tại, công nghệ mạng di động
LTE ra đời đem lại trải nghiệm tuyệt vời hơn nữa về cả cuộc gọi và dữ liệu di động. Từ đây
các ứng dụng được phát triển nhiều hơn trên nền tảng LTE nhằm đa dạng hóa nhu cầu của
con người như: VoLTE, ViLTE, RCS…
1.1.2. Cơng nghệ mạng LTE
Cơng nghệ mạng LTE là q trình phát triển tiếp theo của công nghệ mạng viễn thông
không dây trước đó là 3G, 2G. Với mục đích nhằm đáp ứng nhu cầu lưu lượng dữ liệu tăng
vọt, cũng như nhu cầu về kết nối không dây tốc độ cao.
Mạng di động LTE giúp tăng dung lượng phục vụ, tức là đáp ứng nhu cầu sử dụng
đồng thời cho nhiều người dùng hơn tại một thời điểm, cũng như độ trễ được cải thiện đáng
kể, điều này rất hữu dụng cho những ứng dụng thời gian thực vốn là ứng dụng có tốc độ
phát triển mạnh mẽ nhất hiện nay.
Cơng nghệ LTE khơng phải là mạng di động có cấu trúc mới hồn tồn, nó là sự kế
thừa từ những nền tảng trước đó, do đó việc triển khai hạ tầng LTE trên các quốc gia khơng

gặp khó khăn lớn, mà đem lại hiệu quả rõ rệt.


17

Công nghệ mạng LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) cho đường xuống
(downlink) và SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiplexing Access) cho
đường lên (uplink). Công nghệ OFDMA cho phép phân chia dữ liệu thành nhiều luồng tin
hiệu nhỏ ghép kênh truyền trực giao với nhau, từ đó ở phía thu sẽ thu lại tồn bộ luồng tin
hiệu này và ghép kênh để thu được tín hiệu ban đầu. Cũng từ đây công nghệ MIMO (Multi
Input Multi Output) ra đời nhằm tăng cường tốc độ thu phát và chất lượng tín hiệu thu được
tại phía thu.
Một số tiêu chuẩn có thể kể tới của cơng nghệ mạng LTE như sau:
- Tốc độ tối đa với băng thông tối đa 20MHz:
* Tốc độ tải xuống (download): 150Mbps.
* Tốc độ tải lên (upload): 50Mbps.
- Đáp ứng hoạt động khi người dùng di chuyển với vận tốc cao (từ 100km/h –
200km/h tùy theo băng tần hoạt động).
- Độ rộng băng thông đáp ứng linh hoạt: 1.25MHz, 2.5MHz, 5MHz, 10MHz,
15MHz và 20MHz.
- Hoạt động ở cả hai chế độ: FDD và TDD.
- Cải thiện rõ rệt hiệu suất phổ băng tần.
- Độ trễ mạng RAN (Radio Access Network) dưới 10ms.
1.2. Công nghệ LTE-A và những cải tiến so với công nghệ LTE
1.2.1. Công nghệ LTE-A
LTE-A được giới thiệu tại bản 3GPP rel. 12, bao gồm cải tiến về công nghệ truy nhập
vô tuyến như: cộng hưởng sóng mang (Carrier Aggregation), ghép kênh không gian đa
người dùng (multi player spatial multiplexing), công nghệ truyền chuyển tiếp (Relaying
Node) và cải tiến về thiết kế cấu tạo anten. Như vậy, với sự cải tiến có ở công nghệ LTEA, việc thiết kế anten cho trạm eNodeB bao gồm: tích hợp nhiều kênh phát RF vào cụm

anten, công suất phát nhỏ hơn và hiệu suất tại eNodeB cao hơn.


18

1.2.2. Những cải tiến so với công nghệ LTE
1.2.2.1. Cộng hưởng sóng mang

Hình 1.2. Cấu trúc kỹ thuật cộng hưởng sóng mang

Cộng hưởng sóng mang là kỹ thuật nhằm cải thiện tốc độ và dung lượng truyền dữ
liệu bằng cách két hợp các băng thông khác nhau để tạo nên các kênh truyền có độ rộng
băng thơng lớn hơn. Kỹ thuật cộng hưởng sóng mang cho phép tăng tốc độ tải xuống
(download) ở phía thiết bị đầu cuối với khả năng tận dụng phổ tần còn trống trong dải tần
từ 700MHz tới 3.5GHz.
Kỹ thuật cộng hưởng sóng mang là một trong những tính năng quan trọng nhất của
cơng nghệ LTE-A để tăng độ rộng băng thơng có sẵn cho thiết bị di động và do đó tốc độ
được cải thiện rõ rệt. Mỗi sóng mang kết hợp gọi là một sóng mang thành phần (Component
Carrier), sóng mang thành phần có thể có băng thơng 1,4; 3; 5; 10; 15MHz hoặc 20 MHz.
Trong LTE, thơng thường chỉ có thể truyền tải dữ liệu nhờ sử dụng các đoạn phổ tần số liền
kề có độ rộng tối đa là 20MHz. Cịn trong LTE-A, cơng nghệ cộng hưởng sóng mang cho
phép kết hợp những kênh nhỏ hay cịn gọi là sóng mang trên các băng tần khác nhau, do đó
về cơ bản có thể tăng tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi người dùng lên nhiều lần. Công nghệ
LTE-A cho phép nhà mạng kết hợp tối đa 5 sóng mang với băng thơng 20MHz thành một
kênh có băng thơng tối đa 100MHz cao gấp năm lần băng thông của LTE thông thường.
1.2.2.2. Kỹ thuật MIMO (đa đầu vào, đa đầu ra)


19

Kỹ thuật MIMO cho phép các trạm thu phát và các thiết bị di động đầu cuối gửi và
nhận dữ liệu bằng nhiều anten. Cơng nghệ mạng LTE có hỗ trợ MIMO nhưng áp dụng cho
chiều tải xuống (download). Ngoài ra cơng nghệ mạng này cịn giới hạn số lượng anten ở
mức tối đa là 4 bộ anten phát ở phía trạm thu phát và bốn bộ anten thu ở thiết bị di động
(hay cịn gọi là MIMO 4x4). Cơng nghệ LTE-A cho phép tối đa 8 cặp thu phát ở chiều tải
xuống và 8 cặp ở chiều tải lên (MIMO 8x8).
Kỹ thuật MIMO thực hiện 2 chức năng:


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



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


20

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

Kỹ thuật MIMO cũng được sử dụng trong trường hợp khi thiết bị đầu cuối nằm trong
cell có chất lượng tín hiệu tốt (SINR cao). Cịn khi thiết bị người dùng nằm trong vùng chất
lượng tín hiệu kém, thì phát tín hiệu phân cực (spatial diversity) được sử dụng nhằm đảm
bảo tính tin cậy và chất lượng dịch vụ mà nhà mạng cung cấp.
1.2.2.3. Kỹ thuật truyền chuyển tiếp (Relaying Node)
Công nghệ truyền chuyển tiếp được dùng để mở rộng vùng phủ sóng tới những nơi
có tín hiệu yếu. Thơng thường các bộ truyền nối tiếp thơng thường, hay cịn gọi là bộ lặp
lại khá đơn giản đó là nhận tín hiệu, khuyếch đại, rồi truyền đi. Cơng nghệ LTE-A hỗ trợ
các chế độ truyền nối tiếp tiên tiến hơn. Trước tiên nó sẽ giải mã tất cả các dữ liệu thu được
rồi sau đó chỉ chuyển đi những dữ liệu có đích đến là các thiết bị di động mà mỗi bộ truyền
nối tiếp đang phục vụ. Phương pháp này giúp giảm can nhiễu và tăng số lượng máy di động
kết nối tới bộ truyền nối tiếp. LTE-A còn cho phép các bộ truyền nối tiếp dùng cùng phổ
tần số và các giao thức của trạm thu phát để liên lạc với trạm thu phát và với các thiết bị
đầu cuối. Lợi thế của việc này là cho phép các thiết bị LTE kết nối tới bộ truyền nối tiếp
như thể đó là một trạm thu phát thơng thường. Bộ truyền nối tiếp sẽ chỉ phát sóng vào
những thời điểm cụ thể khi mà trạm thu phát không hoạt động để tránh gây nhiễu cho trạm
thu phát. Dưới đây là hình vẽ nút chuyển tiếp (Relay node) dùng để mở rộng phủ sóng và
được kết nối với nút chủ gọi là Donor cell qua giao diện vô tuyến (Backhaul link).


21

Hình 1.4. Kỹ thuật truyền chuyển tiếp Relay

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

Hình 1.5. Kỹ thuật phối hợp đa điểm CoMP

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


22

lên cả hai trạm thu phát, các trạm này đóng vai trò như một mảng anten ảo sẽ cùng nhau xử
lý tín hiệu thu được tín hiệu khơng lỗi. Hoặc thiết bị có thể tải dữ liệu lên qua cell nhỏ ở
gần bên, giúp giảm năng lượng phát trong khi vẫn nhận tín hiệu tải xuống tốt từ một trạm
thu phát lớn hơn.
1.3. Quá trình phát triển hệ thống anten dùng trong trạm thu phát sóng di động

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

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


23

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

Tần số

Chiều rộng (mm)

Chiều dài (mm)

Single band

150 - 260

700 - 2600

Dual - band

260 - 350

700 - 2600

Tri - band

260 - 350

700 - 2600

Quad - band

260 - 350

700 - 2600

Penta - band

260 - 350

700 - 2600

Hệ số tăng ích:
Bảng 1.2. Hệ số tăng ích và kích thước hệ thống anten hoạt động trên các công nghệ mạng

Tần số hoạt động

Hệ số tăng ích

(MHZ)

(dBi)

900 (GSM)

1800 (UMTS)

2100 (LTE)

Kỹ thuật MIMO:

Độ dài (mm)

Tỉ lệ

≤ 15

1400

20%

= 16

2000

70%

≥ 17

2600

10%

≤ 17

700

10%

= 18

1400

80%

≥ 19

2000

10%

≤ 17

700

10%

= 18

1400

80%

≥ 19

2000

10%