ĐỒ ÁN ĐẠI HỌC PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN 4 BÚP SÓNG ĐỘC LẬP CHO MẠNG DI ĐỘNG – MẠNG TIẾP ĐIỆN

Lời nói đầu Ngày nay các hệ thống thông tin di động đang phát triển với tốc độ nhanh chóng trên thế giới và cả ở Việt Nam, trước nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng về cả số lượng lẫn chất lượng cũng như tính đa dạng của dịch vụ. Trước nhu cầu đó thì việc nghiên cứu ứng dụng các kĩ thuật tiên tiến nhằm giải quyết các vấn đề bức bách trong các hệ thống truyền thông như nâng cao tốc độ truyền dữ liệu, tăng dung lượng mạng đang càng được quan tâm. Việc cải thiện tốc độ cũng như nâng cao dung lượng của các hệ thống vô tuyến phụ thuộc phần lớn vào hiệu quả phủ sóng của anten. Kỹ thuật anten thông minh từ lâu đã được tập trung nghiên cứu để giải quyết vấn đề này. Việc sử dụng anten thông minh đã cho phép việc thuphát trở nên có hiệu quả hơn bằng cách tập trung năng lượng vào hướng mong muốn nhờ đó tiết kiệm năng lượng cho các máy thuphát đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần. Hệ thống thông tin di động 3G ở Việt Nam đã đi vào hoạt động, tuy nhiên những ứng dụng về anten thông minh trong đó còn rất hạn chế đặc biệt là ở các trạm thu phát gốc vì nó chưa phổ biến và giá thành còn đắt. Mục tiêu của đồ án là nghiên cứu và thiết kế anten chùm chuyển mạch (anten nhiều búp sóng cố định) cho các ứng dụng của hệ thống thông tin di động 3G ở Việt Nam. Trong quá trình thực hiện đồ án mặc dù gặp nhiều khó khăn vì đây là lĩnh vực còn khá mới mẻ ở Việt Nam đặc biệt là trong việc thiết kế nhưng nhờ sự giúp đỡ của các thầy cô cùng các bạn bè trong khoa điện tửviễn thông, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tâm nhiệt tình của PGS.TS. Đào Ngọc Chiến giáo viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp để giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà đề tài đặt ra. Tóm tắt đồ án Một hệ thống anten chuyển mạch búp sóng là dạng đơn giản nhất của kỹ thuật anten thông minh. Nó tạo nhiều búp sóng cố định với độ nhạy cao nhất theo các hướng riêng biệt. Khi hệ thống anten xác định được cường độ tín hiệu nó sẽ lựa chọn một trong số những búp sóng có cường độ tín hiệu lớn nhất và chuyển đến búp sóng đó khi thuê bao di chuyển ra khỏi sector. Hệ thống anten chuyển mạch búp sóng dựa vào chức năng chuyển mạch để lựa chọn búp sóng có cường độ tín hiệu mạnh nhất. Bằng cách thay đổi pha của tín hiệu sử dụng để tiếp điện vào các phần tử anten, vị trí búp sóng chính có thể được điều khiển theo các vị trí khác nhau trong không gian. Thay vì sử dụng một anten định hướng, các hệ thống chuyển mạch búp sóng kết hợp các đầu ra của nhiều anten để tạo nên các búp sóng hẹp mà mỗi búp sóng đó có tính chọn lựa không gian tốt hơn so với một phần tử anten đơn. Bằng cách tiếp điện cho các phần tử anten trong mảng thông qua một mạng tiếp điện phù hợp các búp sóng hẹp sẽ được tạo ra. Một trong số những mạng tiếp điện được biết đến nhiều nhất là ma trận Butler, đó là một mạng tiếp điện tuyến tính, thụ động gồm N đầu vào nối với các máy thuphát hoặc chuyển mạch và N đầu ra nối với các phần tử anten. Ma trận Butler sẽ tạo ra N búp sóng trực giao nhau nếu N là một số nguyên lũy thừa của 2, các búp sóng được tạo ra trên cơ sở lý thuyết nhân đồ thị phương hướng. Các búp sóng tạo ra có thể phủ sóng cho một sector lên tới 3600 phụ thuộc vào bức xạ của mỗi phần tử anten và khoảng cách giữa các phần tử. Đồ án trình bày một phương pháp thiết kết và thực hiện ma trận Butler 4x4 cho các ứng dụng 3GUMTS tại Việt Nam với dải tần từ 1.92GHz đến 2.17GHz. Quá trình thiết kế và tối ưu hệ thống dựa trên kết quả lý thuyết và mô phỏng máy tính bằng phần mềm HFSS phiên bản 11. Ma trận Butler được xây dựng trên lớp đế đơn sẵn có và đạt được mức biên độ đầu ra là 7dB cùng với lỗi pha là 70 trên toàn bộ băng thông yêu cầu với tần số trung tâm là 2.045GHz. Abstract A switchedbeam antenna system is the simplest of smart antenna technique. It forms multiple fixed beams with heightened sensitivity in particular direction. Such an antenna system detect signal strength, chooses from one of several predetermined fixed beams, and switched from one beam to another as the cellcular phone moves throughout the sector. The switchedbeam, which is based on a basic switching function, can select the beam that gives the strongest received signal. By changing the phase differences of the signal used to feed the antenna elements or recived from them, the main beam can be driven in different directions throughout space. Instead of shaping directional pattern, the switchedbeam systems combine the outputs of multiple antennas in such a way as to form narrow sectorized (directional) beams with more spatial selectivity that can be achieved conventional, singleelement approaches. One of the most widelyknown multiple beamforming networks is the Butler matrix. It is linear, passive feeding, NxN network with N outputs connected to the antenna elements and N inputs or beam ports. The Butler matrix provides N orthogonal beams, where N should be an integer power of 2. A Butler matrixfed array can cover a sector of up to 3600 depending on element patterns and spacing. Each beam can be used by dedicated trasmitter andor receiver and appropriate beam can be selected by using an RF switch. This thesis present a method design and implementation a 4x4 Butler matrix for 3G applicatons in Vietnam, bandwidth from 1.92GHz to 2.17GHz. System’s design and optimization is based on theoretical results and computer simulation by using HFSSv11 software. The Butler matrix is fabricated by conventional photolithography on a laminate. Finally, the Butler matrix exhibits coupling and phase erros within 7dB and 70 respectively over all bandwidth with a center frequency at 2.045GHz. Mục lục Lời nói đầu I Tóm tắt đồ án II Abstract III Mục lục IV Danh sách các hình vẽ VII Danh sách các bảng biểu XII Danh sách các từ viết tắt XIII CHƯƠNG I. Tổng quan về anten thông minh 1 1.1 Mở đầu 1 1.2 Hệ thống anten thông minh 1 1.2.1 Khái niệm 1 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của anten thông minh 2 1.2.3 Các kiểu anten thông minh 5 1.2.4 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử anten 7 1.2.5 Các tham số dàn anten 8 1.3 Ưu điểm của anten thông minh trong thông tin di động. 10 1.3.1 giảm trãi trễ và pha đinh đa đường 10 1.3.2 Giảm nhiễu đồng kênh 12 1.3.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ 12 1.3.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn 13 1.3.5 Giảm chuyển giao 14 1.3.6 Mở rộng tầm phủ sóng 14 1.3.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng. 16 1.3.8 Giảm công suất phát trạm di động. 19 1.3.9 Cải thiện chất lượng tín hiệu. 19 1.3.10 Tăng tốc độ giữ liệu. 20 1.4 Tổng kết. 20 CHƯƠNG II. Anten thông minh búp sóng cố định 21 2.1 Giới thiệu 21 2.2 Sector hóa truyền thống 21 2.3 Những hạn chế của phương pháp sector hóa truyền thống 27 2.4 Cơ bản về dàn anten 28 2.4.1 Dàn anten định hướng ngang và dàn anten định hướng dọc 30 2.4.2 Ảnh hưởng của số phần tử 30 2.4.3 Ảnh hưởng của khoảng cách các phần tử 32 2.4.4 Độ rộng cả búp sóng chính 36 2.4.5 Độ rộng nửa búp sóng chính 38 2.4.6 Hướng tính của dàn 40 2.4.7 Độ lợi dàn (Array Gain) 41 2.4.8 Ảnh hưởng của đồ thị phương hướng của phần tử dàn 41 2.4.9 Dàn anten mạng lưới phẳng 44 2.4.10 Hướng tính của dàn anten mạng lưới phẳng 46 2.5 Kĩ thuật hướng búp sóng 46 2.6 Ma trận Butler 49 2.7 Lọc không gian với beamformer 55 2.8 Hệ thống chuyển búp sóng 57 2.9 Hệ thống đa búp sóng cố định 59 2.10 Kết luận 59 CHƯƠNG III. Cơ sở lý thuyết 60 3.1 Lý thuyết chung về mạng siêu cao tần 60 3.2 Bộ chia công suất và bộ ghép định hướng 61 3.2.1 Mạng 3 cửa 61 3.2.2 Mạng 4 cổng (các bộ ghép định hướng) 64 3.3 Phân tích và thiết kế mạch siêu cao tần bằng phương pháp FEM 68 3.3.1 Lý thuyết cơ bản về trường điện từ 68 3.3.2 Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn (FEMFinite Element Method) 74 3.4 Phần mềm HFSS. 76 3.4.1 Giới thiệu 76 3.4.2 Mô phỏng 78 3.5 Kết luận 82 CHƯƠNG IV.Thiết kế mạng tiếp điện tạo 4 búp sóng dùng ma trận Butler 83 4.1 đặt vấn đề 83 4.2 Thiết kế 85 4.2.1 Bộ ghép lai 85 4.2.2 Bộ trễ pha cố định 91 4.2.3 Crossover 93 4.2.4 Ma trận Butler 94 4.3 Kết luận 103 Kết luận và hướng phát triển 104 Tài liệu tham khảo 105 Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh – Việt 106