Đồ Án Phân tích và thiết kế anten 4 búp sóng độc lập cho mạng di động – mạng tiếp điện

Lời nói đầuNgày 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 thu/phát 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 thu/phát 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
Tóm tắt đồ ánMột 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 thu/phát 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 360[SUP]0[/SUP] 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 3G-UMTS 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 7[SUP]0[/SUP] trên toàn bộ băng thông yêu cầu với tần số trung tâm là 2.045GHz.
AbstractA 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 2. A Butler matrix-fed array can cover a sector of up to 360[SUP]0[/SUP] 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 7[SUP]0[/SUP] 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 (FEM-Finite 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
Danh sách các hình vẽHình 1.1: Dàn anten thông minh. 2
Hình 1.2: cơ chế nhận biết hướng tín hiệu đến dựa vào hệ thống thính giác của con người 4
Hình 1.3: hệ thống anten thông minh. 5
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. 6
Hình 1.5: mẫu giản đồ phướng bức xạ của kĩ thuật chuyển búp sóng và kĩ thuật dàn anten thích nghi 7
Hình 1.6: Các loại cấu trúc ănten thông minh. 8
Hình 1.7: Hệ số dàn của dàn anten tuyến tính với khoảng cách ănten là được định hướng tại 0[SUP]0[/SUP], đáp ứng của mỗi phần tử dàn ănten và mẫu bức xạ do kết hợp cả hai điều kiện trên. 10
Hình 1.8: Minh hoạ thành phần truyền thẳng từ trạm gốc đến trạm di động cho thấy hướng di chuyển của trạm di động, . 11
Hình 1.9: Phổ Doppler tại trạm di động, khi sử dụng một ănten có hướng tại trạm gốc, và một ănten vô hướng tại trạm di động, được so sánh với mô hình Clarke, R = 1km, D= 3km, f[SUB]m[/SUB] = 100 Hz 13
Hình 1.10 : Hệ số tầm sóng theo số phần tử của ănten. 15
Hình 1.11 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu đơn phần tử. 17
Hình 1.12 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu nhiều phần tử. 19
Hình 2.1: đồ thị phương hướng của một site 3 sector với bề rộng các búp sóng khác nhau. 22
Hình 2.2: tăng ích sector hóa. 24
Hình 2.3: những khu vực chồng lấn chuyển giao mềm 25
Hình 2.4: Hiệu suất sector. 26
Hình 2.4: Dàn anten tuyến tính. 28
Hình 2.5:đồ thị phương hướng của dàn anten định hướng ngang, d= . 31
Hình 2.6: đồ thị phương hướng của dàn anten định hướng ngang, d= . 31
Hình 2.7: biểu đồ bức xạ của dàn anten hướng tính ngang, N=6, d= . 33
Hình 2.8: biểu đồ bức xạ của dàn anten hướng tính ngang, N=6, d= . 34
Hình 2.9: biểu đồ bức xạ của dàn anten hướng tính ngang, N=2, d= . 34
Hình 2.10: biểu đồ bức xạ của dàn anten hướng ngang, N=2, d=5 . 35
Hình 2.11: biểu đồ bức xạ của dàn anten hướng ngang, N=2, d=10 . 35
Hình 2.12: sự phụ thuộc của NNBW vào khoảng cách các phần tử d. 37
Hình 2.13: sự phụ thuộc của NNBW vào số phần tử dàn N 37
Hình 2.14: sự phụ thuộc độ rộng nửa búp sóng của dàn anten định hướng ngang vào khoảng cách các phần tử d. 38
Hình 2.15: sự phụ thuộc độ rộng nửa búp sóng của dàn anten định hướng ngang vào số phần tử N 39
Hình 2.16: Ảnh hưởng của góc quét lên độ rộng nửa búp sóngkhi khoảng cách giữa các phần tử là . 40
Hình 2.17: Đồ thị phương hướng dàn anten 2 phần tử dipole nửa bước sóng, , . 42
Hình 2.18: Đồ thị phương hướng dàn anten 2 phần tử dipole nửa bước sóng, , 42
Hình 2.19: Đồ thị phương hướng dàn 4 phần tử anten patch nửa bước sóng, , . 43
Hình 2.20: Đồ thị phương hướng dàn 4 phần tử anten patch nửa bước sóng, , . 43
Hình 2.21: Dàn anten mạng lưới phẳng. 44
Hinh 2.22: Hệ số dàn của dàn anten mạng lưới phẳng 4x4, , = . 45
Hình 2.23: Beamformer ma trận Butler 4x4. 48
Hình 2.24: 8 búp sóng trực giao được tạo ra bởi ma trận Butler 8x8. 50
Hình 2.25: 4 búp sóng trực giao được tạo ra bởi ma trận Bulter 4x4. 50
Hình 2.26: sự xếp chồng của 2 búp sóng kề nhau khi chúng được tạo ra đồng thời. 51
Hình 2.27: mức giao nhau giữa các búp sóng tạo ra bởi ma trận Butler 4x4. 52
Hình 2.28: Dạng phổ biến của ma trận Buler 4x4. 53
Hình 2.29: Hệ thống anten chuyển búp sóng. 57
Hình 3.1: Phổ tần số của sóng điện từ. 61
Hình 3.2: một kiểu bộ chia công suất chữ T. 62
Hình 3.3: bộ chia công suất thuận nghịch, phối hợp. 64
Hình 3.4: Bộ ghép định hướng. 65
Hình 3.5: điều kiện biên của E và B 73
Hình 3.6: những phần tử hữu hạn điển hình: (a) một chiều, (b) hai chiều, (c) ba chiều. 76
Hình 3.7: Họ sản phẩm của Ansoft. 78
Hình 3.8: cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS: (a) thành các tam giác trên bề mặt, (b) thành các tứ diện trong không gian ba chiều. 79
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lí của ma trậnBuler thiết kế. 84
Hình 4.2: một kiểu của bộ ghép lai. 85
Hình 4.3: các cấu trúc cho hệ số ghép phẳng. 86
Hình 4.4: các cấu trúc bộ ghép lai cho băng thông rộng. 86
Hình 4.5: cấu trúc đề xuất của bộ ghép lai 88
Hình 4.6:đáp ứng biên độ của cấu trúc vòng Ring. 89
Hình 4.7a: kết quả mô phỏng về biên độ. 90
Hình 4.7b: hiệu số pha giữa 2 đầu ra. 90
Hình 4.7c: Mô phỏng phân bố dòng khi cổng 1 được tiếp điện. 91
Hình 4.8: đoạn đường truyền trễ pha 45[SUP]0[/SUP]. 92
Hình 4.9: mô phỏng góc trễ pha 45[SUP]0[/SUP]. 93
Hình 4.10: cấu trúc của một Crossover. 94
Hình 4.11: ma trận Butler 4x4 đề xuất 95
Hình 4.12a: tổn hao ngược và cách ly tại cổng 1. 96
Hình 4.12b: tổn hao ngược và biên độ các đầu ra khi cổng 1 được tiếp điện. 96
Hình 4.12c: Hiệu số pha tại các đầu ra khi cổng 1 được tiếp điện. 97
Hình 4.13a: Tổn hao ngược và cách ly khi cổng 3 được tiếp điện. 98
Hình 4.13b: Tổn hao ngược và biên độ các đàu ra khi cổng 3 được tiếp điện. 98
Hình 4.13c: Hiệu số pha giữa các đầu ra khi cổng 3 được tiếp điện. 99
Hình 4.14a: tổn hao ngược và cách ly khi cổng 2 được tiếp điện. 100
Hình 4.14b: tổn hao ngược và biên dộ các đầu ra khi cổng 2 được tiếp điện. 100
Hình 4.14c: hiệu số pha giữa các đầu ra khi cổng 2 được tiếp điện. 101
Hình 4.15a: tổn hao ngược và cách ly khi cổng 4 được tiếp điện. 101
Hình 4.15b: Tổn hao ngược và biên độ các đầu ra khi cổng 4 được tiếp điện. 102
Hình 4.15c: hiệu số pha giữa các đầu ra khi cổng 4 được tiếp điện. 102
Hình 4.16: phân bố dòng khi cổng 1 được tiếp điện. 103
Danh sách các bảng biểu
Bảng 2.1: pha tại mỗi phần tử dàn trong ma trận Butler 4x4. 54
Bảng 2.2: vị trí búp sóng. 54
Bảng 4.1: các tham số của bộ ghép lai. 89
CHƯƠNG I
Tổng quan về anten thông minh1.1 Mở đầuNhững năm gần đây, cùng với sự phát triển không ngừng của thông tin di động, công nghệ anten trong hệ thống thông tin di động đang rất được quan tâm và đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu về chất lượng phục vụ cho mạng di động.
Hệ thống anten thông minh là một trong những thành tựu quan trọng trong công nghệ ănten với nhiều ưu điểm đã cải thiện đáng kể chất lượng, dung lượng mạng thông tin di động.
Trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm hiểu những nội dung cơ bản nhất của ănten thông minh và các vấn đề liên quan.
1.2 Hệ thống anten thông minh1.2.1 Khái niệmAnten thông minh là một hệ thống dàn ănten gồm nhiều phần tử anten có độ lợi thấp được bố trí trong không gian theo một trật tự nhất định và kết nối với nhau thông qua một mạch kết nối. Anten thông minh có khả năng thay đổi đồ thị bức xạ thu hay phát (hay nói cách khác là các búp sóng) một cách linh hoạt sao cho thích hợp với môi trường tín hiệu trong cell di động.
Chức năng của các phần tử anten là giám sát tín hiệu theo không gian và thời gian. Khác với anten thu đơn là chỉ thu cố định tín hiệu ở một vị trí không gian, anten thông minh có khả năng thích ứng với các chuyển động cơ học của các thiết bị vô tuyến.
Thường thì thuật ngữ “anten” chỉ bao gồm chuyển đổi cấu trúc cơ học từ sóng điện từ tự do sang tín hiệu tần số vô tuyến truyền sóng trong môi trường cáp và ngược lại. Với anten thông minh, thuật ngữ “anten” có ý nghĩa mở rộng hơn: bao gồm một mạng phân chia hoặc kết hợp và một đơn vị điều khiển (UC- Unit Control). Đơn vị điều khiển thể hiện sự thông minh của anten, nó dùng các thuật toán phức tạp để điều khiển anten. Thông thường UC là một bộ xử lý tín hiệu số DSP điều chỉnh các tham số của ănten dựa vào nhiều đầu vào, để tối ưu đường truyền thông tin. Như vậy, anten thông minh tốt hơn nhiều so với anten thông thường nhưng đồng thời nó cũng phức tạp hơn rất nhiều.