hệ thống anten chuyển mạch búp sóng

Lời nói đầu Ngày hệ thống thông tin di động phát triển với tốc độ nhanh chóng giới Việt Nam, trước nhu cầu ngày tăng khách hàng số lượng lẫn chất lượng tính đa dạng dịch vụ Trước nhu cầu việc nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật tiên tiến nhằm giải vấn đề bách hệ thống truyền thông nâng cao tốc độ truyền liệu, tăng dung lượng mạng quan tâm Việc cải thiện tốc độ nâng cao dung lượng hệ thống vô tuyến phụ thuộc phần lớn vào hiệu phủ sóng anten Kỹ thuật anten thông minh từ lâu tập trung nghiên cứu để giải vấn đề Việc sử dụng anten thông minh cho phép việc thu/phát trở nên có hiệu cách tập trung lượng vào hướng mong muốn nhờ tiết kiệm lượng cho máy thu/phát đồng thời nâng cao hiệu sử dụng phổ tần Hệ thống thông tin di động 3G Việt Nam vào hoạt động, nhiên ứng dụng anten thông minh hạn chế đặc biệt trạm thu phát gốc chưa phổ biến giá thành đắt Mục tiêu đồ án nghiên cứu thiết kế anten chùm chuyển mạch (anten nhiều búp sóng cố định) cho ứng dụng hệ thống thông tin di động 3G Việt Nam Trong trình thực đồ án gặp nhiều khó khăn lĩnh vực mẻ Việt Nam đặc biệt việc thiết kế nhờ giúp đỡ thầy cô bạn bè khoa điện tử-viễn thông, đặc biệt hướng dẫn tận tâm nhiệt tình PGS.TS Đào Ngọc Chiến giáo viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp để giúp hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà đề tài đặt Tóm tắt đồ án Một hệ thống anten chuyển mạch búp sóng dạng đơn giản kỹ thuật anten thông minh Nó tạo nhiều búp sóng cố định với độ nhạy cao theo hướng riêng biệt Khi hệ thống anten xác định cường độ tín hiệu lựa chọn số búp sóng có cường độ tín hiệu lớn chuyển đến búp sóng thuê bao di chuyển khỏi sector Hệ thống anten chuyển mạch búp sóng dựa vào chức chuyển mạch để lựa chọn búp sóng có cường độ tín hiệu mạnh Bằng cách thay đổi pha tín hiệu sử dụng để tiếp điện vào phần tử anten, vị trí búp sóng điều khiển theo vị trí khác không gian Thay sử dụng anten định hướng, hệ thống chuyển mạch búp sóng kết hợp đầu nhiều anten để tạo nên búp sóng hẹp mà búp sóng có tính chọn lựa không gian tốt so với phần tử anten đơn Bằng cách tiếp điện cho phần tử anten mảng thông qua mạng tiếp điện phù hợp búp sóng hẹp tạo Một số mạng tiếp điện biết đến nhiều ma trận Butler, mạng tiếp điện tuyến tính, thụ động gồm N đầu vào nối với máy thu/phát chuyển mạch N đầu nối với phần tử anten Ma trận Butler tạo N búp sóng trực giao N số nguyên lũy thừa 2, búp sóng tạo sở lý thuyết nhân đồ thị phương hướng Các búp sóng tạo phủ sóng cho sector lên tới 360 phụ thuộc vào xạ phần tử anten khoảng cách phần tử Đồ án trình bày phương pháp thiết kết thực ma trận Butler 4x4 cho ứng dụng 3G-UMTS Việt Nam với dải tần từ 1.92GHz đến 2.17GHz Quá trình thiết kế tối ưu hệ thống dựa kết lý thuyết mô máy tính phần mềm HFSS phiên 11 Ma trận Butler xây dựng lớp đế đơn sẵn có đạt mức biên độ đầu -7dB với lỗi pha 70 toàn băng thông yêu cầu với tần số trung tâm 2.045GHz Abstract A switched-beam 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 switched-beam, 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 switched-beam 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, single-element approaches One of the most widely-known 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 A Butler matrix-fed array can cover a sector of up to 3600 depending on element patterns and spacing Each beam can be used by dedicated trasmitter and/or 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 Danh sách hình vẽ Danh sách bảng biểu Danh sách từ viết tắt CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã 3G BS AOA C/I DOA FDD GSM MMSE Third Generation Base Station Angle of Arrival Carrier to Interference Ratio Direction of Arrival Frequency Division Duplex Global System for Mobile Minimum Main Square Error MRC SNR SOI UMTS Maximal Ratio Combining Signal to Noise Ratio Signal of Interest Universal Mobile Telecommunication System Half Power Beam width Institute of Electrical and Electronics Engineers Space Division Multiple Đa truy cập phân chia theo Access không gian Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian Finited Difference Time Phương pháp vi phân hữu hạn Domain Method miền thời gian Fast Fourier Transform Biến đổi furie nhanh Discrete Fourier Transform Biến đổi furie rời rạc HPBW IEEE SDMA TDMA FDTD FFT DFT Mạng di đông hệ thứ Trạm gốc Góc tới Tỉ số sóng mang nhiễu Hướng sóng tới Song công theo tần số Hệ thống di động toàn cầu Sai số trung bình bình phương tối thiểu Kết hợp tỉ lệ cực đại Tỉ số tín hiệu tạp âm Tín hiệu mong muồn Hệ thống thông tin di động toàn cầu Bề rộng búp nửa công suất Viện kỹ sư điện điện tử CHƯƠNG I Tổng quan anten thông minh 1.1Mở đầu Những năm gần đây, với phát triển không ngừng thông tin di động, công nghệ anten hệ thống thông tin di động quan tâm có nhiều công trình nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu chất lượng phục vụ cho mạng di động Hệ thống anten thông minh thành tựu quan trọng công nghệ ănten với nhiều ưu điểm cải thiện đáng kể chất lượng, dung lượng mạng thông tin di động Trong chương này, tìm hiểu nội dung ănten thông minh vấn đề liên quan 1.2 Hệ thống anten thông minh 1.2.1 Khái niệm Anten thông minh hệ thống dàn ănten gồm nhiều phần tử anten có độ lợi thấp bố trí không gian theo trật tự định kết nối với thông qua mạch kết nối Anten thông minh có khả thay đổi đồ thị xạ thu hay phát (hay nói cách khác búp sóng) cách linh hoạt cho thích hợp với môi trường tín hiệu cell di động Chức phần tử anten giám sát tín hiệu theo không gian thời gian Khác với anten thu đơn thu cố định tín hiệu vị trí không gian, anten thông minh có khả thích ứng với chuyển động học thiết bị vô tuyến Thường thuật ngữ “anten” bao gồm chuyển đổi cấu trúc học từ sóng điện từ tự sang tín hiệu tần số vô tuyến truyền sóng môi trường cáp ngược lại Với anten thông minh, thuật ngữ “anten” có ý nghĩa mở rộng hơn: bao gồm mạng phân chia kết hợp đơn vị điều khiển (UCUnit Control) Đơn vị điều khiển thể thông minh anten, dùng thuật toán phức tạp để điều khiển anten Thông thường UC xử lý tín hiệu số DSP điều chỉnh tham số ănten dựa vào nhiều đầu vào, để tối ưu đường truyền thông tin Như vậy, anten thông minh tốt nhiều so với anten thông thường đồng thời phức tạp nhiều Hình 1.1: Dàn anten thông minh 1.2.2 Nguyên lý hoạt động anten thông minh Lúc đầu anten đơn giản xạ nhận lượng theo hướng Để truyền tín hiệu đến thuê bao, phát sóng đẳng hướng theo phương ngang, Khi truyền tín hiệu ý thức vùng lân cận thuê bao, lượng tín hiệu truyền cách phân tán, phần lượng tín hiệu truyền đến thuê bao phần bé so với lượng mà anten truyền môi trường xung quanh.Do hạn chế mà công suất tín hiệu phát phải lớn đầu thu nhận đủ lượng tín hiệu cần thiết (SNR nơi thu đủ lớn) Trong trường hợp có nhiều thuê bao đồng kênh, nâng công suất truyền, phần lượng không đến thuê bao mong muốn lại trở thành nguồn nhiễu đồng kênh cho thuê bao khác Ý tưởng anten thông minh dựa vào hệ thống thính giác người Một người nhận biết hướng đến (Direction of Arrival) âm băng cách lợi dụng đặc điểm: • • Tai người hoạt động cảm biến âm nhận tín hiệu Giữa hai tai có khoảng cách nên tai nhận tín hiệu với thời gian trễ khác • Bộ óc người xử lí tín hiệu đặc biệt, thực số lượng lớn phép tính để kết hợp thông tin tìm vị trí âm nhận Giả thiết có người nói chuyện phòng Người nghe người xác định vị trí người nói gần phòng giọng người nói đến cảm biến âm (ở đôi tai) với thời gian khác Bộ xử lí người não ước lượng hướng người nói từ khác biệt thời gian trễ tai Sau não thêm vào cường độ tín hiệu tai để tập trung vào âm hướng tính Lợi dụng trình tương tự, não người có khả nhận biết nhiều tín hiệu với nhiều hướng tới khác Vì người nói khác tham gia vào nói chuyện, não tăng cường tín hiệu nhận từ người cần nghe mà không ý tới người khác Do đó, người nghe có khả nhận giọng người từ nhiều người nói chuyện lúc, tập trung vào nói chuyện thời điểm Theo cách này, nhiễu không mong muốn yếu Ngược lại người nghe đáp lại hướng người nói cách định hướng miệng tới người nói 10 Hình 4.12a: tổn hao ngược cách ly cổng Hình 4.12b: tổn hao ngược biên độ đầu cổng tiếp điện 100 Hình 4.12c: Hiệu số pha đầu cổng tiếp điện Hình 4.12c kết mô hiệu số pha đầu cổng 1được tiếp điện Ở đây, biểu thức hiệu số pha sử dụng mô định nghĩa sau: Phase(S16/S15) Phase(S17/S16) Phase(S18/S17) Từ hình 4.12c nhận thấy lỗi pha gây cổng Hình 4.13a, 4.13b, 4.13c kết tương tự cổng vào Các kết mô cho cổng cổng tương tự cổng cổng 101 Hình 4.13a: Tổn hao ngược cách ly cổng tiếp điện Hình 4.13b: Tổn hao ngược biên độ đàu cổng tiếp điện 102 Hình 4.13c: Hiệu số pha đầu cổng tiếp điện Các hiệu số pha sử dụng cho mô cổng là: Phase(S37/S36) Phase(S37/S36) Phase(S38/S37) Từ hình 4.13c nhận thấy lỗi pha gây cổng tiếp điện Hình 4.14 4.15 kết mô cho cổng Nhận thấy kết thu tương tự cổng cổng 103 Hình 4.14a: tổn hao ngược cách ly cổng tiếp điện Hình 4.14b: tổn hao ngược biên dộ đầu cổng tiếp điện 104 Hình 4.14c: hiệu số pha đầu cổng tiếp điện Các biểu thức cho hiệu số pha cổng là: Phase(S26/S25) Phase(S27/S26) Phase(S28/S27) Hình 4.15a: tổn hao ngược cách ly cổng tiếp điện 105 Hình 4.15b: Tổn hao ngược biên độ đầu cổng tiếp điện Hình 4.15c: hiệu số pha đầu cổng tiếp điện Các biểu thức cho hiệu số pha định nghĩa cổng là: Phase(S46/S45) Phase(S47/S46) Phase(S48/S47) 106 Hình 4.16: phân bố dòng cổng tiếp điện 4.3 Kết luận Chương trình bày số kết mô phân bố biên độ pha ghép lai, sở mô ma trận Butler 4x4 thõa mãn cho băng tần 3G Việt Nam Đó đạt chia công suất phẳng ( lỗi pha nhỏ (chưa đến 6%) toàn băng thông 107 Kết luận hướng phát triển Đồ án hoàn thành việc thiết kế mạng tiếp điện tạo búp sóng cho ứng dụng 3G Việt Nam cách dùng ma trận Butler 4x4 Mạng thiết kế với kích thước nhỏ gọn (cỡ 9cmx10cm) đáp ứng yêu cầu biên độ pha, đáp ứng biên độ phẳng lỗi pha nhỏ (tổng thể chưa đến 6%) toàn bang tần cho 3G Việt Nam Trong giới hạn đồ án này, chưa thể mô tổng thể toàn hệ thống gồm mạng tiếp điện phần tử anten nối với Do đó, đồ án chưa mô vị trí xạ búp sóng để đối chiếu với lý thuyết nêu Hướng nghiên cứu đồ án thiết kế ma trận Butler với kích thước nhỏ để tích hợp thiết bị cầm tay, lúc có hệ thông thống minh theo hướng downlink uplink Tuy nhiên, để tích hợp thiết bị cầm tay đòi hỏi phải thu nhỏ tối đa kích thước ma trận Butler lúc công nghệ mạch đa lớp hay siêu vật liệu mang lại triển vọng 108 Tài liệu tham khảo [1] Phan Anh Lý thuyết kĩ thuật anten, NXB Khoa Học Kĩ Thuật, Hà Nội [2] Phan Anh Trường điện từ truyền sóng, NXB đại học Quốc Gia Hà Nội, 2002 [3] Phạm Minh Việt Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa Học Kĩ Thuật, Hà Nội [4] Ahmed El Zooghby, Smart Antenna Engineering, Artech House, London 2005 [5] Garret T Okamoto, Smart Antenna System and Wireless LANs, Kluwer Acadmec Publisher, USA 2002 [6] Frank Gross, Smart Antennas for Wireless Communications with Matlab, McGraw Hill, 2005 [7] F.A.Alhargan and S.R.Judah, Frequency Response Characteristics of the Multiport Planar Elliptic Patch, IEEE transactions on microwave theory and techniques Vol 40 No 8, August 1992 [8] Theodoros N Kaifas and Jonh N Sahalos, On the Design of a Single Layer Wideband Butler Matrix for Switched-Beam UMTS System Applications, Fellow, IEEE [9] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên, Bộ sách kĩ thuật thông tin số, nhà xuất Khoa Học kĩ thuật, Hà Nội 2006 [10] Vũ Đức Thọ, tính toán mạng di động cellular, nhà xuất Khoa Học kĩ thuật, Hà Nội 2003 [11] Lal Chand Godara, Smart Antennas, CRC Press, 2004 [12] Ari Hottien, Olav Tirkkonen, Risto Wichman, Multi-antenna Transceiver Techniques for 3G and Beyond, Wiley, England 2003 [13] Joseph C.Liberti, Theodore S.Rappaport, Smart Antennas for Wireless Communications: IS-95 and Third Generation CDMA Applications, Prentice Hall Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh – Việt 109 STT Thuật ngữ tiếng anh Quadrature Hybrid Coupler Raditation Pattern Crossover Beamformer Network Beamforming Half Power Beamwidth Microstrip Phase Shifter Finite Element Method Thuật ngữ tiếng việt Bộ ghép lai cầu phương Đồ thị phương hướng Bộ ghép chéo Mạng tạo búp sóng Tạo búp sóng Bề rộng búp nửa công suất Vi dải Bộ dịch pha Phương pháp phần tử hữu hạn 10 Finite Different Time Domain 11 12 13 14 15 16 17 18 Dielectric Substrate Transverse Magnetic Transverse Electric Array Factor Element Factor Cross level Fullwave Wave Vector Phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian Đế điện môi Sóng từ ngang Sóng điện ngang Hệ số dàn Hệ số phần tử Mức giao Toàn sóng Véc tơ sóng 110 111 112 113 114 [...]... thoa cấp thấp cả hai loại anten thông minh đều cung cấp tăng ích đáng kể so với hệ thống sector hóa truyền thống với giao thoa cấp cao, khẳ năng loại bỏ nhiễu giao thoa của hệ thống thích nghi hiệu quả hơn hệ thống truyền thống và cả hệ thống chuyển búp sóng 12 Hình 1.4: Hiệu quả triệt nhễu của hệ thống anten thích nghi so với hệ thống anten chuyển búp sóng và hệ thống truyền thống Giả sử có một nguồn... và φ là góc ngẩng Búp sóng chính: Búp sóng chính của một mẫu bức xạ ănten là búp sóng chứa hướng của công suất bức xạ lớn nhất Búp sóng phụ: Búp sóng phụ là các búp sóng không tạo thành búp sóng chính Chúng cho phép các tín hiệu được nhận theo các hướng khác hướng của búp sóng chính do đó, các búp sóng này là không mong muốn nhưng không thể tránh khỏi Độ rộng búp sóng: Độ rộng búp sóng của một ănten... đổi của nó 11 Hình 1.3: hệ thống anten thông minh 1.2.3 Các kiểu anten thông minh Anten thông minh có 2 dạng chính: • Anten chuyển búp sóng: là kiểu anten mà các búp sóng phát xạ có thể thay đổi được theo mô hình có sẵn • Anten thích nghi: là kiểu anten cho phép hiệu chỉnh một cách mềm dẻo giản đồ phương hướng của dàn anten để tối ưu một số đặc tính của tín hiệu thu được Búp sóng chính của dàn có thể... độ rộng góc của búp sóng chính Độ rộng búp sóng 3 dB hay bề rộng búp sóng nửa công suất là độ rộng góc giữa các điểm trên búp sóng chính đạt giá trị 3 dB bên dưới đỉnh của búp sóng chính Độ rộng búp sóng nhỏ hơn là kết quả của một dàn có kích thước rộng hơn nghĩa là khoảng cách giữa hai phần tử xa nhất của dàn Hiệu suất anten: Hiệu suất anten là tỉ số của tổng công suất bức xạ của anten trên tổng công... và hai nhiễu đồng kênh đến trạm gốc của một hệ thống thông tin dùng anten thông minh Hình 1.5 mô tả mẫu búp sóng mà mỗi kĩ thuật định dạng cho trường hợp này Đường màu sáng là tín hiệu mong muốn, đường tối màu là nhiễu Cả hai đều hướng búp có mật độ lớn nhất đến tín hiệu cần nhưng kĩ thuật chuyển búp sóng cho kết quả không tốt bằng dàn anten thích nghi Hệ thống thích nghi chọn cách sắp xếp chính xác... sóng chỉ về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell đó Cấu trúc dàn đường thẳng: Đây là cấu trúc thông dụng nhất vì nó đơn giản, được sử dụng khi BS được chia thành nhiều vùng phủ sóng hình quạt Trong cấu trúc này, khoảng cách giữa các phần tử là ∆ x Búp sóng chính của hệ thống có thể phủ sóng trong một hình quạt Cấu trúc hình tròn: Các phần tử anten tạo với tâm hệ thống một góc ∆Φ = 2π / N Búp. .. tới chỗ có mật độ thấp hơn nằm ngoài búp sóng chính, nhưng lại là điểm bức xạ cực tiểu(Null) Dàn anten thích nghi đảm bảo tín hiệu chính nhận được tốt nhất trong khi mức tác động của nhiễu ít nhất 13 Hình 1.5: mẫu giản đồ phướng bức xạ của kĩ thuật chuyển búp sóng và kĩ thuật dàn anten thích nghi 1.2.4 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử anten Vị trí của các phần tử anten luôn đóng một vai trò quan trọng... trung đi sâu vào kĩ thuật anten thông minh búp sóng cố định Đây là vấn đề chính mà đồ án tập trung nghiên cứu và thiết kế CHƯƠNG II Anten thông minh búp sóng cố định 2.1 Giới thiệu Trong hệ thống không dây, chúng ta phải đối mặt hai vấn đề lớn đó là vùng phủ và dung lượng thiết kế vùng phủ bao gồm việc lựa chọn một số khu vực đặt 29 trạm gốc, địa điểm, độ cao, hướng tính của anten và công suất phát cần... , được gọi là mẫu búp sóng được cho bởi phương trình dưới đây: (1.1) 15 Hình 1.7 là một ví dụ của đáp ứng phần tử ănten đã được cách điệu hoá, một hệ số dàn của dàn anten tuyến tính 8 phần tử với một khoảng cách giữa các anten phần tử là λ/2 hướng tại 00 và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết hợp hai thành phần trên Hệ số dàn: Hệ số dàn, F (θ , φ ) , là mẫu bức xạ trường xa của dàn anten gồm các phần... thông minh là búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác và hướng về phía thuê bao mong muốn, các nút sóng chỉ về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell đó Vị trí của các phần tử anten luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra chất lượng của đồ thị bức xạ Một đồ thị bức xạ đạt chất lượng cao trong ănten thông minh là búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác ... tán xạ đặt vòng tròn có bán kính km, tâm máy di động 1.3.2 Giảm nhiễu đồng kênh Dàn anten cho phép sử dụng phương pháp lọc không gian, phương pháp áp dụng cho bên thu bên phát để giảm nhiễu đồng... cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng tốc độ liệu Chương đồ án tập trung sâu vào kĩ thuật anten thông minh búp sóng cố định Đây vấn đề mà đồ án tập trung nghiên cứu thiết kế CHƯƠNG II Anten thông... 2.8: biểu đồ xạ dàn anten hướng tính ngang, N=6, d= Hình 2.9: biểu đồ xạ dàn anten hướng tính ngang, N=2, d= 43 Hình 2.10: biểu đồ xạ dàn anten hướng ngang, N=2, d=5 Hình 2.11: biểu đồ xạ dàn