Phân tích và thiết kế anten cho điện thoại di động 4g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG NHƯ ĐỊNH PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG 4G Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS TS ĐÀO NGỌC CHIẾN Hà Nội – 2011 LỜI CAM ĐOAN Luận văn hoàn thành sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu nguồn tài liệu học, sách báo chuyên ngành thông tin Internet mà theo hoàn toàn tin cậy Tôi xin cam đoan luận văn không giống với công trình nghiên cứu hay luận văn trước mà biết Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2011 Người thực Đặng Như Định MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI MỞ ĐẦU Chương GIỚI THIỆU 10 1.1 Hiện trạng toán 10 1.2 Hướng cho tương lai 11 1.2.1 Hệ thống vô tuyến toàn cầu 11 1.2.2 Các yêu cầu tốc độ liệu 12 1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến 12 1.3 Kết mong đợi 13 Chương CÔNG NGHỆ 4G VÀ HỆ THỐNG MIMO 14 2.1 Công nghệ di động hệ thứ (4G) 14 2.1.1 Giới thiệu 14 2.1.2 Đặc điểm công nghệ LTE-Advanced 14 2.1.3 Kết luận 21 2.2 Khái niệm mô hình hệ thống MIMO 21 2.2.1 Định nghĩa đặc điểm 21 2.2.2 Những hạn chế kênh truyền không dây 22 2.2.3 Ưu điểm hệ thống MIMO 24 2.2.4 Hệ thống đa ănten ảnh hưởng tương hỗ 25 2.2.5 Kỹ thuật phân tập anten 29 2.2.6 Kết luận 31 Chương THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI MIMO CHO CÔNG NGHỆ 4G 32 3.1 Thiết kế anten với phần mềm HFSS 32 3.1.1 Lý thuyết trường điện từ ứng dụng Anten 32 3.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 35 3.1.3 Phần mềm mô Ansoft HFSS 37 3.2 Thiết kế anten vi dải MIMO ứng dụng cho công nghệ 4G 42 3.2.1 Các thông số anten cho thống MIMO 42 3.2.2 Hướng tiếp cận thiết kế anten MIMO phần tử xạ với nhiều đường tiếp điện 43 3.2.3 Quá trình thiết kế phân tích 44 3.2.4 Phân tích mô hình chế tạo anten kết đo đạc 70 3.2.5 Kết luận 74 KẾT LUẬN 75 PHỤ LỤC 78 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MIMO Multi Input Multi Output LTE Long Term Evolution IMT International Mobile Telecommunications WCDMA Wideband Code division multiple access WLAN Wireless Local Area Network 3GPP 3rd Generation Partnership Project OFDMA Orthogonal frequency-division multiplexing SC-FDMA Single-carrier Frequency Division Multiple Access WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access TDD Time-Division Duplex FDD Frequency-division duplexing HSPA High Speed Packet Access UE User Equipment SNR Signal-to-noise ratio ISI Inter-Symbol Interference CCI Co-channel interference AOA Angles of Arival FEM Finite Element Method HFSS High Frequency Structure Simulation EMI/EMC Electromagnetic interference /Electromagnetic compatibility EBG Electromagnetic band gap DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sự phát triển hệ thống tế bào .11 Hình 1.2: Hệ thống vô tuyến toàn cầu 12 Hình 1.3: Cấu hình hệ thống tế bào 4G 13 Hình 2.1: Ví dụ khối kết tập sóng mang 16 Hình 2.2: Khối anten MIMO 2×2 .18 Hình 2.3: Truyền dẫn đa điểm phối hợp 19 Hình 2.4: Chuyển tiếp LTE-Advanced 21 Hình 2.5: Hệ thống MIMO .22 Hình 2.6: Mô hình (a) MMA (b) MEA 25 Hình 2.7: Các nguyên nhân gây tương hỗ 26 Hình 2.8: Các trình gây nhiễu liên chấn tử 27 Hình 2.9: Hàm tương quan anten thành phần hàm khoảng cách theo bước sóng 28 Hình 3.1: Hình vẽ phân cách hai môi trường 34 Hình 3.2: Cách chia phần tử hữu hạn HFSS: (a) thành tam giác bề mặt, (b) thành tứ diện không gian ba chiều 38 Hình 3.3: Mô hình mô 41 Hình 3.4: Anten MIMO thông dụng anten MIMO có đa đầu vào .44 Hình 3.5: So sánh hệ số tăng ích hai ăng ten có kích thước khác cách tiếp điện 45 Hình 3.6: Mô hình anten vi dải 45 Hình 3.7: Cấu trúc đường tiếp điện vi dải 47 Hình 3.8: Mô hình anten MIMO phần tử xạ .48 Hình 3.9: Mật độ dòng điện anten tiếp (a) đường tiếp điện bên trái (b) đường tiếp điện bên phải 48 Hình 3.10: Bộ lai 900 49 Hình 3.11: Mô hình mô lai 900 50 Hình 3.12: Ma trận tán xạ S tính theo dB 50 Hình 3.13: S12, S13 tính theo độ 51 Hình 3.14: Bộ Crossorver ghép hai lai 900 51 Hình 3.15: Bộ Crossover biến đổi .52 Hình 3.16: Công cụ tính toán trở kháng vào đường truyền vi dải 53 Hình 3.17: Cấu hình Crossover 53 Hình 3.18: Tham số tán xạ S Crossover 54 Hình 3.19: Mật độ dòng bề mặt a) 2.05GHz b) 1.92GHz .55 Hình 3.20: Bộ Crossover với cấu trúc Ground Defected 56 Hình 3.21: Mô hình đường truyền với Defected Ground sơ đồ tương đương .57 Hình 3.22: Phân bố mật độ dòng điện mô hình Crossover với cấu trúc Defected Ground tiếp điện (a) Port 1, (b) Port .57 Hình 3.23: Tham số tán xạ S Crossover với cấu trúc Ground Defected .58 Hình 3.24: Tối ưu với kích thước khác cấu trúc Defected Ground .59 Hình 3.25: Mật độ dòng điện bề mặt 1.92GHz a) Mô hình cấu trúc Defected Ground b) Mô hình có cấu trúc Defected Ground 60 Hình 3.26: Mô hình anten đề xuất 62 Hình 3.27: Ma trận tán xạ S 63 Hình 3.28: Đồ thị phương hướng xạ mặt phẳng (a) 1.92 GHz, (b) 2.05 GHz (c) 2.17 GHz 64 Hình 3.29: Đồ thị phương hướng xạ không gian chiều tiếp port bên phải tần số a) 1.92GHz b)2.05GHz 65 Hình 3.30: Hệ số tăng ích đỉnh 65 Hình 3.31: Mô hình bẻ góc 450 đường vi dải .66 Hình 3.32: Hệ số tổn hao ngược anten thay đổi L1 67 Hình 3.33: Hệ số S12&S21 anten thay đổi L1 .67 Hình 3.34: Mật độ dòng điện anten tiếp điện 2.05GHz (a) đường tiếp điện bên trái (b) đường tiếp điện bên phải 68 Hình 3.35: Đồ thị phương hướng xạ mặt phẳng xoy (a) tần số 1.92 GHz với đường tiếp điện bên phải, (b) tần số 1.92 GHz với đường tiếp điện bên trái, (c) tần số 2.05 GHz với đường tiếp điện bên phải, (d) tần số 2.05 GHz với đường tiếp điện bên trái, (e) tần số 2.17 GHz với đường tiếp điện bên phải (f) tần số 2.17 GHz với đường tiếp điện bên trái .69 Hình 3.36: Mô hình chế tạo anten .70 Hình 3.37: Kết đo đạc anten (a) Port 1, (b) Port .73         LỜI MỞ ĐẦU Trong kỹ thuật truyền thông có hai vấn đề cần phải quan tâm, tốc độ liệu độ tin cậy truyền tin Đặc biệt với truyền thông không dây hai vấn đề có vai trò quan trọng, thiết kế phải dựa hai thông số này, cho tốc độ liệu ngày tăng độ tin cậy ngày cao Nhưng bên cạnh đó, truyền thông không dây lại gặp phải hai tượng gây nhiều trở ngại đến chất lượng, phading giao thoa ký hiệu Để nâng cao tốc độ truyền liệu cần phải có băng thông lớn điều bị hạn chế dải tần số tài nguyên khan Đồng thời, muốn cải thiện nâng cao chất lượng tín hiệu giảm ảnh hưởng phading máy phát phải đạt công suất đủ lớn tăng kích thước anten để trì hiệu suất xạ Tuy nhiên, thiết bị di động cầm tay điện thoại di động, máy tính xách tay có kích thước nhỏ gọn áp dụng phương pháp Hiện nay, hệ thống anten sử dụng nhiều phần tử xạ phía phát phía thu hay gọi kỹ thuật đa đầu vào đa đầu (kỹ thuật MIMO) ứng dụng phổ biến truyền thông vô tuyến Kỹ thuật đem lại nhiều ưu chất lượng truyền tín hiệu tốc độ truyền tải liệu khắc phục đáng kể nhược điểm hệ thống truyền thông vô tuyến Và công nghệ di động hệ thứ (3G) tìm kiếm thị trường để đưa vào ứng dụng rộng rãi nhà nghiên cứu bắt tay vào việc nghiên cứu công nghệ di động băng rộng hệ thứ tư (4G) 4G hệ công nghệ sử dụng mạng điện thoại di động có khả truyền tải liệu, âm thanh, hình ảnh với chất lượng cao Với 4G, nhà thiết kế kỳ vọng cho phép thiết bị di động chuyển vùng (roaming) tự động qua công nghệ không dây khác Các chuẩn quốc tế hình thành, có chuẩn LTE Advanced (Long-term-evolution Advanced) phát triển LTE để tiến lên IMT – Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced) LTE-Advanced tương thích thuận - nghịch với LTE, nghĩa thiết bị LTE hoạt động mạng LTE Advanced thiết bị LTEAdvanced hoạt động mạng LTE cũ Theo đó, hệ thống LTE Advanced hỗ trợ hoạt động nhiều băng tần khác LTE ứng với khu vực khác giới Hiện tại, nước thuộc khu vực Nhật Bản, Châu Âu, Châu Á dải tần hoạt động hệ thống 1920-1980 MHz cho hướng lên 2110-2170 MHz cho hướng xuống tiêu chuẩn để xây dựng hệ thống UMTS IMT Và tương lai hệ thống LTE Advanced kế thừa dải tần hoạt động bổ sung thêm băng tần cho Song song với đó, việc thiết kế anten MIMO cho hệ thống 4G gặp nhiều khó khăn thách thức Vấn đề đặt kích thước anten phải nhỏ gọn, đạt yêu cầu nhà sản xuất thiết bị di động tích hợp vào thiết bị, sản phẩm Hơn nữa, hệ thống nhiều phần tử xạ, ảnh hưởng tưỡng hỗ chúng đáng kể, tượng cần phải giảm thiểu để nâng cao độ ổn định hiệu suất xạ hệ thống Vì vậy, chọn đề tài: “Phân tích thiết kế anten cho điện thoại di động 4G” nhằm giải vấn đề nêu trên, đồng thời mong muốn tìm hướng nghiên cứu cho công nghệ thiết kế, chế tạo anten Việt Nam a) 1.92GHz b) 2.05GHz Hình 29 Đồ thị phương hướng xạ không gian chiều tiếp port bên phải tần số a) 1.92GHz b)2.05GHz Hình 30 Hệ số tăng ích đỉnh c) Phân tích thiết kế mô hình anten Đầu tiên mô hình đường tiếp điện phân tích 65 Với công thức số công cụ Web (như đề cập đến mục trên) trở kháng đặc tính đường truyền vi dải hoàn toàn tính cách cụ thể Ta tập trung phân tích hình dạng bẻ góc 450 đường truyền (hình 3.31) Hình 31 Mô hình bẻ góc 450 đường vi dải Với mục đích giảm thiểu sóng phản xạ truyền đường truyền vi dải mà cấu trúc bị thay đổi đột ngột góc 900 với thiết kế vát góc 450 có tác dụng làm cho trường điện từ truyền đường vi dải không bị thay đổi đột ngột hướng thay đổi pha Nhờ đó, giảm thiểu sóng phản xạ trường điện từ truyền không gian lớp điện môi đường vi dải mặt phẳng GND Với mô hình thiết kế mong muốn đạt cách ly khoảng cách hai đường tiếp điện hai đầu vào đường tiếp điện đặt đối diện (như hình 3.26a), cấu trúc đường truyền phải thay đổi đột ngột góc 900 tiếp điện cho anten với cấu trúc xẻ vát góc 450 sóng phản xạ hạn chế, nhờ tiêu hao lượng giảm băng thông đường truyền tăng lên Tiếp theo việc tối ưu kích thước anten để giúp anten hoạt động với dải tần 4G Với tần số trung tâm 2GHz kích thước hai anten riêng rẽ tính theo tổng chiều dài xấp xỉ 2*(λ/2)=70mm, phần tử xạ chiều dài 66 thiết kế λ/2=35mm Thêm vào đó, để giảm ảnh hưởng tương hỗ hai phần tử xạ khoảng cách yêu cầu hai anten phải đủ lớn (> λ/2) Như kích thước tổng anten MIMO vào khoảng 105mm Do có phần tử xạ nên kích thước anten giảm đáng kể phần tử xạ coi tương đương phần tử xạ chung hai anten tiếp điện với hai mode khác tạo tính MIMO cho anten Về mặt lý thuyết ta cần phần tử xạ với kích thước λ/2=35mm tiếp điện với hai mode khác tạo tính MIMO anten, phần tử xạ chung nên tiếp đường tiếp điện khác trường điện từ vùng xạ anten có tác động tương hỗ lẫn nên đòi hỏi thiết kế kích thước phần tử xạ phải phù hợp để vùng xạ phần tử có khoảng cách đủ lớn để không ảnh hưởng lớn đến Nhờ mode sóng hoạt động để đáp ứng tính MIMO cho anten Sau trình thực mô với nhiều kích thước phần tử xạ, tìm kích thước tối ưu hình 3.26a Đồ thị 3.32 đồ thị 3.33 cho ta thấy ví dụ thay đổi để đạt đến kết tối ưu cho anten Với kích thước L1 hệ số S11(S22) S12(S21) đạt yêu cầu L1=57.8mm Hình 32 Hệ số tổn hao ngược Hình 33 Hệ số S12&S21 anten anten thay đổi L1 thay đổi L1 67 Sau so sánh đánh giá kết anten tiếp riêng hai đường tiếp điện Với việc tiếp điện riêng rẽ hai đường tiếp điện ta thấy rõ đặc tính MIMO anten Hình 3.34 cho ta thấy phân bố mật độ dòng điện phần tử xạ tiếp hai đường tiếp điện riêng biệt   (a) (b) Hình 34 Mật độ dòng điện anten tiếp điện 2.05GHz (a) đường tiếp điện bên trái (b) đường tiếp điện bên phải Ở điểm có cường độ dòng lớn có mầu đỏ đậm, điểm có cường độ dòng điện nhỏ không đáng kể có mầu xanh Có thể dễ dàng nhận thấy anten làm việc với feed khác phân bố dòng khác Như hình, với cách tiếp điện bên trái dòng phân bố anten tập trung vào phần bên trái ngược lại Như vậy, port kích thích hai phần khác anten xạ giống hai phần tử xạ riêng biệt 68 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 35 Đồ thị phương hướng xạ mặt phẳng x0y (a) tần số 1.92GHz với đường tiếp điện bên phải, (b) tần số 1.92GHz với đường tiếp điện bên trái, (c) tần số 2.05GHz với đường tiếp điện bên phải, (d) tần số 2.05GHz với đường tiếp điện bên trái, (e) tần số 2.17GHz với đường tiếp điện bên phải (f) tần số 2.17 GHz với đường tiếp điện bên trái 69 Đồ thị phương hướng xạ hình 3.35 lại thể cho ta thấy hướng xạ khác anten cách tiếp điện Với hai cách tiếp điện khác nhau, tạo hai mode khác xạ anten theo hướng khác Chính vậy, tạo đặc tính MIMO anten, việc tạo thuộc tính xạ theo hai hướng đối lập nhờ thiết lập chế độ khác (Multimode antenna) 3.2.4 Phân tích mô hình chế tạo anten kết đo đạc a) Mô hình chế tạo: Mặt trước Mặt sau Kích thước chiều dọc Kích thức chiều ngang Hình 36 Mô hình chế tạo anten 70 b) Phân tích kết đo đạc Kết đo đạc thực tế hình 3.37 cho thấy có sai khác mô hình mô mô hình chế tạo Điều hoàn toàn đắn chương trình mô điều kiện thực tế lý tưởng hóa nên có sai khác điều tránh khỏi Hơn tác động điều kiện môi trường xung quanh trang thiết bị đo đạc nước ta chưa đại nên độ xác không thật chuẩn Tuy nhiên kết đo đạc tham số S11, S21, VSWR minh chứng tính đắn mô hình đề xuất nghiên cứu luận văn, là: hai tham số hệ số tổn hao ngược tỉ số sóng đứng hai cổng tiếp điện đạt kết mong muốn băng tần từ 1.92GHz đến 2.17GHz Đối với hệ số truyền đạt S21 hai cổng đạt yêu cầu nhỏ -15dB để đảm bảo cách ly hai cổng khoảng 60% băng tần 71 (a) Kết đo đạc Port 72 (b) Kết đo đạc Port Hình 37 Kết đo đạc anten (a) Port 1, (b) Port 73 3.2.5 Kết luận Như vậy, hệ thống anten mô thỏa mãn điều kiện thông số đảm bảo cho anten hoạt động ổn định Với kích thước phù hợp dùng anten vi dải dễ dàng tích hợp thiết bị di động 4G I-phone, PDA… 74 KẾT LUẬN Trong tương lai, công nghệ 4G hứa hẹn mở tiềm lớn cho việc triển khai dịch vụ băng rộng thay dần hệ thống mạng di động Với nhiều ưu điểm vượt trội công nghệ 4G tất yếu trở thành xu hướng phát triển giới Việt Nam thời gian tới Trong nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu, thiết kế anten MIMO cho công nghệ 4G với băng tần bao trùm từ 1.92GHz đến 2.18 GHz đạt yêu cầu đề như: xạ đảm bảo hoạt động anten toàn băng tần, kích thước nhỏ gọn, cấu hình đơn giản, dễ chế tạo Đảm bảo đủ yêu cầu để tiến hành sản xuất hàng loạt Thêm vào đóng góp phương thức tiếp điện cho hệ thống anten MIMO Hướng phát triển nghiên cứu: Công việc thiết kế mở khả phát triển tương lai Các phương hướng phát triển bao gồm: - Giảm kích thước anten MIMO 4G phương pháp sử dụng metamaterial - Giảm ảnh hưởng tương hỗ phần tử xạ - Mặt khác, phương pháp sử dụng anten đa mode ta sử dụng phương pháp phân cực để tạo nên đặc tính MIMO anten Trong thời gian thực nghiên cứu hoàn thiện luận văn này, nhận giúp đỡ hướng dẫn tận tình PGS TS Đào Ngọc Chiến Qua đây, xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy toàn thể bạn LAB nghiên cứu phát triển truyền thông (CRD) Tôi xin chân thành cảm ơn! 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO   [1] Rysavy Research, HSPA to LTE-Advanced, 3GPP Broadband Evolution to IMT – Advanced (4G), September 2009 [2] Stefan Parkvall, Erik Dahlman, Anders Furuskär, Ylva Jading, Magnus Olsson, Stefan Wänstedt, Kambiz Zangi, LTE-Advanced – Evolving LTE towards IMTAdvanced, 2008 [3] Defining 4G, Understanding the ITU Process for the Next Generation of Wireless Technology, 3G Americas Revised August 2008 [4] Phan Anh, Trường điện từ truyền sóng, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2002 [5] S.D.Parson, The Mobile Radio Propagation Channel, JohnWiley & Sons, New York, NY, USA, 2nd edition, 2000 [6] S Blanch, J Romeu, and I Corbella, “Exact representation ofantenna system diversity performance from input parameter description,” Electronics Letters, vol 39, no 9, pp 705–707,2003 [7] G Breit and E Ozaki, “Phone level radiated test methodologies for multi-mode multi-band systems,” in Proceedings of the International Wireless Industry Consortium Interactive Technical Workshop, Handset Antenna Technologies for MultiMode-Multi-Band (IWPC ’07), Durham, NC, USA, January-February 2007 [8] K Kalliola, K Sulonen,H Laitinen,O Kivekas, J Krogerus, and P Vainikainen, “Angular power distribution and mean effective gain ofmobile antenna in different propagation environments,” IEEE Transactions on Vehicular Technology,vol.51,no.5,pp.823–838, 2002 [9] H J Chaloupka and X Wang, “Novel approach for diversity and MIMO antennas at small mobile platforms,” in Proceedings of the 15th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC ’04), vol 1, pp 637–642, Barcelona, Spain, September 2004 76 [10] K Chung and J.H Yoon, “IntegratedMIMO antenna with high isolation characteristic,” Electronics Letters,vol.43,no.4,pp 199–201, 2007 [11] Skycross, Inc, iMAT Antenna Whitepaper, January 2008, http: // www Sky cr-oss.com/ 77 PHỤ LỤC Phụ lục A: Thông số thiết lập trình mô Crossover HFSS trình bày đây: SIMULATION PARAMERTERS Solution type: Driven Modal Boundaries: - Microstrip line: Perfect E Boundary - GND: Perfect E Boundary - Subtrate: FR4_epoxy - AirBox: Radiation Boundary Excitations: - port: Lumped Port Analysis: - Solution Frequency: 2.05GHz - Sweep: • Sweep Type: Fast • Frequency Setup: ¾ Start Frequency: 1.85GHz ¾ Stop Frequency: 2.25GHz 78 Phụ lục B: Thông số thiết lập trình mô anten HFSS trình bày đây: SIMULATION PARAMERTERS Solution type: Driven Modal Boundaries: - Microstrip line & antenna: Perfect E Boundary - GND: Perfect E Boundary - Subtrate: FR4_epoxy - AirBox: Radiation Boundary Excitations: - port: Lumped Port Analysis: - Solution Frequency: 2.05 GHz - Sweep: • Sweep Type: Fast • Frequency Setup: ¾ Start Frequency: 1.85 GHz ¾ Stop Frequency: 2.25 GHz 79 ... vậy, chọn đề tài: Phân tích thiết kế anten cho điện thoại di động 4G nhằm giải vấn đề nêu trên, đồng thời mong muốn tìm hướng nghiên cứu cho công nghệ thiết kế, chế tạo anten Việt Nam Chương... cho Song song với đó, việc thiết kế anten MIMO cho hệ thống 4G gặp nhiều khó khăn thách thức Vấn đề đặt kích thước anten phải nhỏ gọn, đạt yêu cầu nhà sản xuất thiết bị di động tích hợp vào thiết. .. ứng dụng công nghệ 4GHz Để thiết kế anten vi dải đáp ứng đủ yêu cầu cho công nghệ 4G, ta phải nắm rõ anten vi dải kỹ thuật thiết kế anten di động Chương sau giúp ta hiểu rõ anten vi dải, ứng dụng