ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
BÙI QUANG KHÁNH
“NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN BĂNG KÉP
CHO CÔNG NGHỆ 4G VÀ BLUETOOTH”
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
HÀ NỘI - 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
BÙI QUANG KHÁNH
“NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ANTEN BĂNG KÉP
CHO CÔNG NGHỆ 4G VÀ BLUETOOTH”
Ngành
:Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
Chuyên ngành
: Kỹ thuật Điện tử
Mã số
Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, các em sinh viên Phòng thí nghiệm
của khoa Điện tử - Viễn thông đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn về chuyên môn và tạo
điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian tôi thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, người thân và các bạn của em, những người đã
luôn bên cạnh động viên, khích lệ và giúp đỡ em trong thời gian qua.
Luận văn này được 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 còn
nhiều hạn chế. Tôi rất mong nhận được nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để
hoàn thiện hơn bài viết của mình.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 11 tháng 06 năm 2015
Học viên
Bùi Quang Khánh
iii
TÓM TẮT
4G LTE đang chứng tỏ là công nghệ di động có tốc độ phát triển nhanh nhất từ trước
đến nay. Theo nghiên cứu của ABI, cuối năm 2015 số lượng thuê bao sử dụng 4G LTE
ước tính đạt 1,3 tỷ thuê bao, tăng khoảng 650 nghìn so với năm 2014. Về lý thuyết,
theo định nghĩa của Liên minh Viễn thông Thế giới (ITU), 4G có thể tăng tốc độ tải về
của thiết bị lên tới 100 Mbps khi di chuyển, và đạt xấp xỉ 1 Gbps trong điều kiện đứng
yên. Chính bởi sự vượt trội về tốc độ nên 4G LTE được ví như “một sự tiến hóa” của
công nghệ viễn thông. 4G LTE hoạt động chủ yếu trên 2 băng tần: 1800MHz (đây là
băng tần chủ đạo với hơn 45% nhà mạng trên thế giới khai thác) và 2600MHz (chiếm
26% số nhà mạng triển khai 4G).
1.2.3. Chuẩn băng tần Bluetooth .................................................................... 9
1.3. Anten trong truyền thông vô tuyến............................................................ 10
TỔNG QUAN VỀ ANTEN............................................................................... 13
2.1. Lý thuyết chung về anten .......................................................................... 13
2.1.1. Giới thiệu ........................................................................................... 13
2.1.2. Các thông số cơ bản của anten ........................................................... 16
2.2. Anten vi dải .............................................................................................. 22
2.2.1. Đặc tính của anten vi dải .................................................................... 22
2.2.2. Hoạt động của anten vi dải ................................................................. 24
2.2.3. Các phương pháp cấp nguồn .............................................................. 25
2.2.4. Các mô hình phân tích anten vi dải..................................................... 28
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC ANTEN ........................ 35
3.1. Thiết kế và mô phỏng anten ...................................................................... 35
v
3.1.1. Phần mềm mô phỏng .......................................................................... 35
3.1.2. Lựa chọn chất điện môi ...................................................................... 38
3.1.3. Mục tiêu cần đạt được ........................................................................ 39
3.1.4. Thiết kế anten ..................................................................................... 40
3.1.5. Chế tạo anten ..................................................................................... 43
3.2. Kết quả mô phỏng..................................................................................... 43
3.3. Kết quả đo đạc thực tế .............................................................................. 46
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 51
vi
Hình 2-25: Mô hình hốc cộng hưởng cho anten vi dải................................................ 34
Hình 3-1: Mặt phẳng bức xạ và mặt phẳng đất ........................................................... 42
Hình 3-2: Mô hình anten ............................................................................................ 42
Hình 3-3: Anten chế tạo thực tế ................................................................................. 43
Hình 3-4: Suy hao phản hồi của mẫu anten ................................................................ 44
Hình 3-5: Giản đồ bức xạ anten với tần số 1.8 GHz và 2.6 GHz ................................ 45
Hình 3-6: Giản đồ bức xạ anten với tần số 2.4 GHz ................................................... 45
Hình 3-7: Độ lợi cùa anten ......................................................................................... 46
Hình 3-8: Hình ảnh đo hệ số suy hao phản xạ của anten thực nghiệm ........................ 47
Hình 3-9: Kết quả so sánh hệ số suy hao phản xạ giữa thực tế và mô phỏng .............. 47
Hình 3-10: Kết nối anten làm Card mạng cho PC và Wi-Fi Router ............................ 48
viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Các thông số lớp vật lý của 4G/LTE ............................................................ 6
Bảng 1-2: Các dải tần Bluetooth ................................................................................ 10
Bảng 3-1: Kích thước anten ....................................................................................... 42
Bảng 3-2: Kết quả đồ thị suy hảo phản xạ .................................................................. 44
Bảng 3-3: So sánh hệ số suy hao phản xạ và băng thông giữa thực tế và mô phỏng ... 47
ix
DANH MỤC VIẾT TẮT
LTE
Long-Term Evolution
Three Dimensions
3G
Third Generations
DSC
Digital Cellular Service
PCS
Personal Communications Service
EMI
Electromagnetic Interference
PCB
Printed Circuit Board
UMTS
Universal Mobile Telecommunication System
1
MỞ ĐẦU
2
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 4G/LTE VÀ
BLUETOOTH
1.1. Công nghệ 4G (LTE)
1.1.1. Tình hình hiện nay
Từ năm 2012, trên thế giới, công nghệ 4G đã có sự phát triển vượt bậc và từng bước
chiếm thị phần của công nghệ 3G. Theo số liệu thống kê vào tháng 4 năm 2015, trên
thế giới đã có hơn 646 đơn vị kinh doanh dịch vụ viễn thông tại hơn 181 quốc gia đã
cung cấp dịch vụ 4G/LTE. Trong đó, khu vực châu Á có 61 đơn vị thuộc 25 quốc gia.
Riêng khu vực Đông Nam Á có 17 đơn vị cung cấp dịch vụ 4G tại 8 quốc gia là
Singapore, Malaysia, Indonesia, Philippines, Brunei, Thái Lan, Lào và Campuchia.
Trong đó, trừ các quốc gia đã có nền tảng công nghệ cao như Singapore, Malaysia hay
các quốc gia có điều kiện địa lý thuận lợi như Bruei… đã triển khai thành công công
nghệ 4G thì hầu hết các quốc gia khác vẫn còn đang trong giai đoạn thử nghiệm. Tuy
nhiên, theo nghiên cứu tổng thể của công ty Seed Planning, số lượng người sử dụng
công nghệ 4G trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương sẽ tăng từ 100 triệu người năm
2013 lên hơn 1 tỷ người trong năm 2018.
Tại Hội thảo Quốc tế 4G LTE “Quy hoạch tổng thể, tối ưu hóa công nghệ, đa dạng hóa
dịch vụ hướng tới đông nhất công nghệ 4G tại tiểu vùng sông Mekong” diễn ra ngày
26/3 tại Hà Nội, Bộ TT&TT xác định năm 2015 là thời điểm thích hợp để triển khai
công nghệ 4G tại Việt Nam. Dự kiến Việt Nam sẽ tổ chức triển khai cấp phép 4G từ
đầu năm 2016. Trên cơ sở đánh giá về nhu cầu thị trường, công nghệ , thiết bị và các
điều kiện khác, Việt Nam sẽ cấp phép 4G với mục tiêu sử dụng hiệu quả băng tần cao,
3
Mục tiêu của LTE là cung cấp 1 dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói dữ liệu
được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triển khai.
Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu 28 lượng chuyển
mạch gói cùng với tính di động linh hoạt, chất lượng của dịch vụ, thời gian trễ tối
thiểu.
Các đặc tính cơ bản của 4G/LTE:
Hoạt động ở băng tần: 700 MHz – 2.6 GHz
Độ trễ: < 5ms
Độ rộng băng thông linh hoạt: 1,4 MHz; 3 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20
MHz. Hỗ trợ cả hai trường hợp độ dài băng thông lên và xuống bằng nhau hoặc
không.
Phổ tần số:
Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD
Độ phủ sóng: 5 – 100 km
Dung lượng 200 user/cell ở băng tần 5 MHz.
Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbs khi di chuyển tốc độ cao và 1 Gbps
đối với thuê bao đứng yên so với trạm
Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kì hai điểm nào trên thế giới
Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở
đường lên (có nghĩa là 1000 Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng
thông 67 MHz)
Hiệu suất sử dụng phổ hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25
bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà.
Chuyển giao liền (Smooth handoff) qua các mạng hỗn hợp.
Chất lượng dịch vụ
Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng QoS
VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng UMTS
Liên kết mạng:
Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ thống
không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo.
Mã hóa sửa lỗi Turbo: để tối thiểu yêu cầu về tỷ số SNR ở bên thu.
Lập biểu kênh độc lập: để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian.
Thích nghi đường truyền: điều chế thích nghi và các mã sửa lỗi
Các thông số lớp vật lý của 4G/LTE
6
Bảng 1-1: Các thông số lớp vật lý của 4G/LTE
UL
DTFS-OFDM (SC-FDMA)
DL
OFDMA
Kỹ thuật truy cập
Băng thông
1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 15 MHz, 20
MHz
TTI tối thiểu
1ms
Khoảng cách sóng mang con
độ rộng BW: 5 MHz. Đối với 4G LTE thì Hoạt động ở băng tần : 700 MHz-2,6
GHz với mục tiêu tốc độ dữ liệu cao, độ trễ thấp, công nghệ truy cập sóng vô tuyến
gói dữ liệu tối ưu. Tốc độ DL :100Mbps( ở BW 20MHz), UL : 50 Mbps với 2 aten
thu một anten phát. Độ trễ nhỏ hơn 5ms với độ rộng BW linh hoạt là ưu điểm của
LTE so với WCDMA, BW từ 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20
7
MHz. Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với
WCDMA.
Ưu điểm nổi bật
Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G
Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ
Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn, và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa
Hiệu quả trải phổ tăng 4 lần và tăng 10 lần user/cell so với WCDMA.
Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với
WCDMA
Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G
Hiệu suất phổ cao
- OFDM ở DL
+ Chống nhiễu đa đường
+ Hầu hết dữ liệu người dùng thì ít hơn di động
- SC-FDMA ở UL
+ PAPR thấp
+ Người dùng trực giao trong miền tần số
- MIMO
Tốc độ dữ liệu cao
+ Phát nhiều dòng dữ liệu độc lập song song qua các anten riêng lẻ => tăng tốc độ dữ
liệu. (sử dụng MIMO)
1.2.1. Lịch sử phát triển
Ban đầu, Sven Mattison và Jaap Haartsen – hai nhân viên của Ericsson (hiện nay là
Sony Ericsson và Ericsson Mobile Platforms) đã phát triển những tính năng đầu tiên
của Bluetooth vào năm 1994. Sau đó Bluetooth Special Interest Group (SIG) tiếp tục
triển khai công nghệ này từ ngày 20/5/1999. Dần dần, Sony Ericsson, IBM, Intel,
Toshiba và Nokia cùng nhiều công ty khác đã tham gia phát triển công nghệ không
dây tầm gần này nhằm hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các
thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây (Wireless Personal
Area Network-PANs). Do đó, Bluetooth còn được gọi là IEEE 802.15.1.Từ đó, công
nghệ này đã thu hút sự chú ý của hang tram nhà sản xuất trên toàn thế giới. Bluetooth
SIG thiết lập cơ quan đầu não toàn cầu tại Overland Park, Kansas, USA. Bluetooth bắt
đầu nổi lên như là một công nghệ vô tuyến hàng đầu. Các công ty điện thoại di động
bắt tay vào khai thác thị trường sôi nổi này bằng cách cho ra đời các thế hệ điện thoại
di động đời mới hỗ trợ Bluetooth. Các phiên bản 1.1, 1.2… và đến này là 4.1 đã được
đưa ra trên thị trường.
Khác với những công nghệ hiện tại, như công nghệ hồng ngoại đề xuất bởi IrDA
(Infrared Data Association) hay là DECT, Bluetooth hỗ trợ cho ngành công nghiệp
viễn thông và khoa học máy tính. Dù có một số lượng lớn các nhà sản xuất hợp tác với
hiệp hội IrDA trong các sản phẩm điện thoại của họ, bao gồm cả Ericsson, Motorola
và Nokia, sự thay đổi này đã gây khó chịu cho người dùng, không tải được thông tin
của họ từ máy tính hoặc PDAs lên điện thoại và ngược lại. Những thiết bị tích hợp
Bluetooth có thể nhận diện và giao tiếp với nhau như máy tính giao tiếp với máy in.
9
Hơn nữa, những sản phẩm có tích hợp công nghệ này giá cả lại rẻ và phải chăng hơn
nhiều.
Bluetooth hiện đang có tốc độ phát triển chóng mặt với khả năng ứng dụng ngày càng
đa dạng, tính đến nay con số thiết bị sử dụng Bluetooth không thể tính hết được..
10
những thuật toán nhảy tần đặc biệt đã được nghiên cứu và định ra ở các nước này.
Nhưng cần chú ý rằng những sản phẩm được thực thi để giảm băng tần sẽ không tương
thích với những sản phầm hoạt động toàn dải. Do đó, những sản phẩm thực thi việc
giảm băng tần cần được xem xét với các phiên bản địa phương cho một thị trường đơn
nhất. Bluetooth SIG đã thực hiện một chiến dịch để giải vượt qua những khó khăn và
tiến tới hài hòa trong băng tần.
Bảng 1-2: Các dải tần Bluetooth
Khu vực
Dải tần
Kênh vô tuyến
Europe and USA
2,4 – 2,4835 GHz
Japan
2,471 – 2,497
GHz
f = 2473 + k
(MHz)
cuộc sống của con người trên toàn thế giới. Hàng loạt các kỹ thuật công nghệ được
nghiên cứu và sử dụng nhằm cải thiện nâng cao đời sống của con người. Nhu cầu về
11
trao đổi tri thức và thông tin của con người ngày một gia tăng và các yêu cầu đặt ra
như thuận tiện, nhanh chóng, tiết kiệm ngày càng cao và cần thiết. Truyền thông vô
tuyến đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng để giải quyết những vấn đề bức thiết
đó.
Với những ưu điểm hơn hẳn so với các kỹ thuật truyền thông cổ điển, truyền thông vô
tuyến cho phép thu phát thông tin qua không gian mà không cần đến các thiết bị dây
cáp phức tạp, rắc rối mà vẫn đảm bảo được độ chính xác. Có thể nói truyền thông vô
tuyến đã mang lại rất nhiều tiện ích, thuận tiện cho con người. Một trong những thành
phần quan trọng của các hệ thống truyền thông vô tuyến là anten, thiết bị dung để bức
xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài.
Anten là bộ phân quan trọng không thể thiếu được của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện
nào, đây chính là đầu cuối thu phát sóng (thông tin) của các hệ thống vô tuyến.
Một hệ thống liên lạc vô tuyến đơn giản luôn bao gồm máy phát, máy thu, anten phát
và anten thu. Máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần, dao động điện sẽ
truyền qua fide (thiết bị nối giữa máy phát/máy thu với anten) tới anten dưới dạng
sóng điện từ rang buộc. Anten phát có nhiệm vụ biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong
fide thành sóng điện từ tự do bức xa ra không gian. Cấu tạo của anten sẽ quyết định
khả năng biến đổi và bức xạ năng lượng điện từ nói trên. Anten thu có nhiệm vụ ngược
với anten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến
đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc.
Anten được ứng dụng trong tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến như vô tuyến truyền
thanh, truyền hình, vô tuyến đạo hang, vô tuyến thiên văn, vô tuyến điều khiển từ xa.
Anten được sử dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau.
Với các đài phát thanh và vô tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong
điện thoại di động mà yêu cầu phải có kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, tính linh
hoạt, dễ tích hợp với các loại vật liệu, thiết bị đầu cuối và đặc biệt là có băng thông
rộng và hoạt động được ở nhiều dải tần.
Điện thoại di động sử dụng một ăng ten tích hợp sẵn đa băng tần có khả năng đáp ứng
đồng thời một vài chuẩn tần số , ví dụ như GSM 800, 900, 1800, 1900 MHz and
UMTS, WCDMA 1.8, 1.9, 2.1 and 2.5 GHz and LTE 1.8, 2.6 GHz. Các dải chuẩn tần
số trên có thể được tính như sau:
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
Băng tần PCS cũng được gọi là băng tần 1900 MHz: 1850 – 1990 MHz
Băng tần UMTS được biết đến như băng tần 3G hay băng tần 2100 MHz: 1920
- 2170 MHz.
Băng tần WLAN cũng được biết đến như là băng tần Bluetooth (2.4 GHz):
2400-2480 MHz
Băng tần LTE hay còn gọi băng tần 1800 MHz: (1710 – 1880) hoặc 2600 MHz
(2500 – 2690)
13
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ ANTEN
2.1. Lý thuyết chung về anten
2.1.1. Giới thiệu
Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (antenthu) từ
không gian bên ngoài được gọi là anten. Nói cách khác, anten là cấu trúc chuyển tiếp
giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thể hiện trong hình
1.1. Thông thường giữa máy phát và anten phát, cũng như giữa máy thu và anten thu
Copyright: Tài liệu đại học ©