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 thì nghiệm
của khoa Điện tử - Viễn thông đã tận tính 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 đính, người thân và các bạn của em, những người đã
luôn bên cạnh động viên, khìch 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 mính.
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 tình đạt 1,3 tỷ thuê bao, tăng khoảng 650 nghín 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. Chình bởi sự vượt trội về tốc độ nên 4G LTE được vì 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 ...................................... Error! Bookmark not defined.
2.1. Lý thuyết chung về anten ............................. Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Giới thiệu ................................................. Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Các thông số cơ bản của anten ................ Error! Bookmark not defined.
2.2. Anten vi dải .................................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.1. Đặc tính của anten vi dải ......................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Hoạt động của anten vi dải ...................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3. Các phương pháp cấp nguồn ................... Error! Bookmark not defined.
2.2.4. Các mô hình phân tích anten vi dải ......... Error! Bookmark not defined.
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC ANTENError! Bookmark not
defined.


v

3.1. Thiết kế và mô phỏng anten ......................... Error! Bookmark not defined.
3.1.1. Phần mềm mô phỏng................................ Error! Bookmark not defined.
3.1.2. Lựa chọn chất điện môi ........................... Error! Bookmark not defined.
3.1.3. Mục tiêu cần đạt được ............................. Error! Bookmark not defined.
3.1.4. Thiết kế anten ........................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.5. Chế tạo anten ........................................... Error! Bookmark not defined.
3.2. Kết quả mô phỏng ........................................ Error! Bookmark not defined.
3.3. Kết quả đo đạc thực tế .................................. Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ............................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 11


vi


vii

Hính 2-19: Đường truyền vi dải .................................... Error! Bookmark not defined.
Hính 2-20: Hiệu ứng đường biên của anten vi dải ........ Error! Bookmark not defined.
Hính 2-21: Hằng số điện môi hiệu dụng của anten vi dải ........... Error! Bookmark not
defined.
Hính 2-22: Đường truyền vi dải .................................... Error! Bookmark not defined.
Hính 2-23: Phân bố điện tìch và mật độ dòng trên anten vi dải .. Error! Bookmark not
defined.
Hính 2-24: Mô hính hộp cộng hưởng của anten vi dải .. Error! Bookmark not defined.
Hính 2-25: Mô hính hốc cộng hưởng cho anten vi dải .. Error! Bookmark not defined.
Hính 3-1: Mặt phẳng bức xạ và mặt phẳng đất ............. Error! Bookmark not defined.
Hính 3-2: Mô hính anten ............................................... Error! Bookmark not defined.
Hính 3-3: Anten chế tạo thực tế .................................... Error! Bookmark not defined.
Hính 3-4: Suy hao phản hồi của mẫu anten ................... Error! Bookmark not defined.
Hính 3-5: Giản đồ bức xạ anten với tần số 1.8 GHz và 2.6 GHz Error! Bookmark not
defined.
Hính 3-6: Giản đồ bức xạ anten với tần số 2.4 GHz ..... Error! Bookmark not defined.
Hính 3-7: Độ lợi cùa anten ............................................ Error! Bookmark not defined.
Hính 3-8: Hính ảnh đo hệ số suy hao phản xạ của anten thực nghiệm ................. Error!
Bookmark not defined.
Hính 3-9: Kết quả so sánh hệ số suy hao phản xạ giữa thực tế và mô phỏng ....... Error!
Bookmark not defined.
Hính 3-10: Kết nối anten làm Card mạng cho PC và Wi-Fi Router .. Error! Bookmark
not defined.


viii


Bluetooth Technology

ISM

Industrial, Scientific and Industrial

IP

Internet Protocol

2D

Two Dimensions

3D

Three Dimensions

3G

Third Generations

DSC

Digital Cellular Service

PCS

Personal Communications Service


mềm hỗ trợ.
Anten vi dải ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ứng dụng truyền thông vô tuyến
bởi các lợi thế: cấu trúc nhỏ nhẹ, dễ chế tạo, giá thành thấp, dễ dàng tìch hợp lên bề
mặt …
Ví vậy muc đìch nghiên cứu của luận văn là đề xuất mẫu anten vi dải cho ứng dụng
4G/LTE và Bluetooth. Mẫu anten đã được thiết kế, mô phỏng, chế tạo và đo đạc thực
tế. Anten được thiết kế trên vật liệu Fr4 – epoxy, độ dày h =1.6mm, hằng số điện môi
𝜀𝑟 = 4.4, kìch thước 3D 20mm × 50mm × 1.6mm.
Luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ 4G/LTE và Bluetooth.
Chương 2: Lý thuyết về anten vi dải, các thông số đặc trưng của anten như độ lợi,
băng thông, độ định hướng, giản đồ bức xạ.
Chương 3: Quá trính thiết kế, mô phỏng, thiết kế và đo đạt mẫu anten. Kết quả mô
phỏng và đo đạc thực tế được nói đến tại chương này.
Chương 4: Kết luận những điều đã đạt được trong luận văn này.


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.

Hình 1-1: Quá trình phát triển mạng thông tin di động

LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa
trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tình cạnh tranh cho hệ
thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước
phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution
(LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phì cho mỗi bit thông tin,
cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn
giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở
thiết bị đầu cuối.


4

1.1.3. Các đặc điểm chính của công nghệ 4G/LTE
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 tình di động linh hoạt, chất lượng của dịch vụ, thời gian trễ tối
thiểu.
 Các đặc tình 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.

3GPP. Nó bao gồm băng tần lõi của IMT-2000 (1.9-2 GHz) và dải mở rộng (2.5 GHz),
cũng như tại 850-900 MHz, 1800 MHz, phổ AWS (1.7- 2.1 GHz)…Băng tần chỉ định
dưới 5MHz được định nghĩa bởi IUT thí phù hợp với dịch vụ IMT trong khi các băng
tần lớn hơn 5MHz thí sử dụng cho các dịch vụ có tốc độ cực cao. Tình linh hoạt về
băng tần của LTE có thể cho phép các nhà sản xuất phát triển LTE trong những băng
tần đã tồn tại của họ.
 Các kĩ thuật được sử dụng:
 MIMO: để đạt được hiệu suất phổ tần cao bằng cách sử dụng phân tập theo
không gian, đa anten, đa người sử dụng.
 Sử dụng lượng tử hóa trong miền tần số, chẳng hạn như OFDM hoặc SCFDE ở
đường xuống: để tận dụng thuộc tình chọn lọc tần số của kênh mà không phụ
phải lượng tử phức tạp.
 Ghép kênh trong miền tần số OFDMA hoặc DC-FDMA ở đường xuống: tốc độ
bit thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh khác nhau dựa trên điều
kiện kênh.
 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.
 Thìch nghi đường truyền: điều chế thìch 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


QPSK, 16QAM, 64 QAM
1 lớp cho UL/UE

Ghép kênh không gian

Lên đến 4 lớp cho DL/UE
Sử dụng MIMO cho UL và DL

Sự khác nhau giữa 3G và 4G
Hiện nay, công nghệ 3G cho phép truy cập Internet không dây và các cuộc
gọi có hính ảnh. 4G được phát triển trên các thuộc tình kế thừa từ công nghệ 3G. Về
mặt lý thuyết, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G sẽ có tốc độ nhanh hơn mạng
3G từ 4 đến 10 lần. Tốc độ tối đa của 3G là tốc độ tải xuống 14Mbps và 5.8Mbps
tải lên. Với công nghệ 4G, tốc độ có thể đạt tới 100Mbps đối với người dùng di
động và 1Gbps đối với người dùng cố định. 3G sử dụng ở các dải tần quy định quốc
tế cho UL : 1885-2025 MHz; DL : 2110-2200 MHz; với tốc độ từ 144kbps-2Mbps,
độ rộng BW: 5 MHz. Đối với 4G LTE thí 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



8

+ Dải 1 : hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao hơn
+ Dải 2 : phổ còn lại
+ Các user ở cạnh cell : sử dụng dải 1 => SIR tốt
+ Các user ở trung tâm cell : sử dụng toàn bộ băng => tốc độ dữ liệu cao

1.2. Bluetooth
Bluetooth là công nghệ truyền thông vô tuyến công suất thấp tầm gần được thiết kế để
thay thế dây cáp trong việc kết nối những thiết bị như máy tình, máy in, bàn phìm và
chuột. Công nghệ này cho phép các thiết bị điện tử giao tiếp với nhau một cách dễ
dàng trong khoảng cách ngắn bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM (Industrial,
Scientific and Industrial) trong dải tần 2.4 – 2.48 GHz.[4]

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 tình 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

Tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới 25 Mbps (với chuẩn 3.0 và 4.0) mà các
thiết bị không cần phải thấy trực tiếp nhau ( light of sight requirements)
 Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng
này với một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “Bluetooth profiles”, do
đó có thể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.
 Bluetooth được dùng trong giao tiếp dữ liệu tiếng nói: có 3 kênh để truyền
tiếng nói và 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân.
 An toàn và bảo mật: được tìch hợp với sự xác nhận của người dùng và mã
hóa
Tình tương thìch cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm hỗ trợ.

1.2.3. Chuẩn băng tần Bluetooth
Bluetooth sử dụng sóng vô tuyến cực ngắn ở dài tần 2,4 GHz đến 2,4835 GHz. Trên
thế giới, băng tần này là có sẵn, băng thông có thể khác nhau ở những nước khác nhau,
tùy theo dải tần có sẵn ở nước đó. Để tuân theo giới hạn dải tần ở từng quốc gia,


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
thìch 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

Kênh vô tuyến

Khu vực

k= 0, 1,…, 78.

Do đó, để các hệ thống và thiết bị có thể được sử dụng toàn cầu thí các máy phát cần
phủ dải tần từ 2.4 đến 2.5 GHz và tùy từng quốc gia sẽ chọn tần số thìch hợp. Băng tần
ISM là băng tần mở cho tất cả các hệ thống vô tuyến nhưng các hệ thống này cần phải
chú ý tới các nguồn nhiễu từ các hệ thống điều khiển cửa gara, điện thoại không dây,
và lò vi sóng (nguồn nhiễu cao).
Với sự ra đời của phiên bản Bluetooth 4.1 đã đánh dấu bước cải tiến vượt bậc cho
công nghệ Bluetooth khi nó đã cải thiện được tính trạng chồng chéo tình hiệu của
Bluetooth và mạng 4G/LTE. Bluetooth 4.1 sẽ tự động nhận diện vùng phủ và công
suất phát của LTE từ đó nó có thể điều chỉnh băng tần để thiết bị đầu cuối sử dụng
được tối đa năng lực của nó.

1.3. Anten trong truyền thông vô tuyến
Bùng nổ vào đầu thế kỷ XX, cuộc cách mạng công nghệ đã làm thay đổi hoàn toàn
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


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phan Anh, "Lý thuyết và kĩ thuật Anten", NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2007.
[2] K. Peter. Analysis and Comparison of 1G , 2G , 3G , 4G and 5G Telecom Services.
[3] R. A. Bhatti, S. Yi, and S. Park, “Compact antenna array with port decoupling for
LTE-Standardized Mobile Phones ”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,
vol. 8, pp. 1430-1433, 2009.
[4] Bluetooth.com. Retrieved 10 December 2013.
[5] C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and design, Canada: John Wiley & Sons, 2005.
[6] Nguyễn Thanh Thái (2009), “Luận văn Thạc sĩ Thiết kế và mô phỏng anten vi dải
ở tần số 900, 1800 MHz”, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.
[7] K. Fujimoto, “Mobile Antenna System Handbook”, United States: Artech House,