Đang tải... (xem toàn văn)
Mục Lục 1 Danh sách các từ viết tắt 5 Tóm tắt đồ án 10 Abstract 11 Chương 1 Giới thiệu 12 1.1 Động lực phát triển 12 1.2 Kết quả mong đợi 13 Chương 2 Công nghệ 3G 14 2.1 Công nghệ 3G 14 2.1.1 Lịch sử phát triển công nghệ 3G 14 2.1.2 Các tiêu chí để xây dựng mạng 3G 15 2.1.3 Các ứng dụng của công nghệ 3G 16 2.2 Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO 16 2.2.1 Định nghĩa và đặc điểm 16 2.2.2 Những hạn chế của kênh truyền không dây 17 2.2.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO 19 2.2.4 Hệ thống đa ănten và ảnh hưởng tương hỗ. 19 2.2.5 Kĩ thuật phân tập anten 24 2.2.6 Kết luận 26 Chương 3 Phân tích và thiết kế anten bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 27 3.1 Lý thuyết cơ bản trường điện từ 27 3.1.1 Phương trình Maxwell và các điều kiện biên 27 3.1.2 Các phương trình thế 28 3.1.3 Các điều kiện biên 33 3.2 Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn (FEM Finite Element Method) 35 3.2.1 Giới thiệu 35 3.2.2 Nghiệm của phương trình sóng 37 3.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn đối với các bài toán bên ngoài 40 3.3 Phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS 45 3.3.1 Giới thiệu 45 3.3.2 Mô phỏng 47 Chương 4 Thiết kế anten vi dải công nghệ 3G áp dụng kĩ thuật MIMO 52 4.1 Các thông số về ăng ten cho hê thống MIMO 52 4.2 Hướng tiếp cận thiết kế anten MIMO một phần tử bức xạ với nhiều đường tiếp điện. 53 4.3 Quá trình thiết kế và phân tích 55 4.3.1 Thiết kế anten 59 4.3.2 Kết quả mô phỏng 61 4.4 Kết luận 74 Kết luận chung 75 Mục lục hình vẽ Hình 2. 1 Lịch sử phát triển công nghệ 3G 10 Hình 2. 2 Công nghệ MIMO 12 Hình 2. 3Mô hình MMA(a) và MEA (b) 16 Hình 2. 4 Các nguyên nhân gây tương hỗ. 17 Hình 2. 5 Các quá trình gây nhiễu giữa liên chấn tử 18 Hình 2. 6 Hàm tương quan giữa các anten thành phần như là hàm của khoảng cách theo bước sóng 19 Hình 3. 1 Điều kiện biên của E và B 28 Hình 3. 2Những phần tử hữu hạn điển hình: (a) Một chiều, (b) Hai chiều, (c) Ba chiều 30 Hình 3. 3 (a) Cách chia miền nghiệm thành các phần tử hữu hạn và vô hạn; (b) phần tử vô hạn điển hình 35 Hình 3. 4 Vật thể phát xạ (hoặc tán xạ) được bao bởi một biên hấp thụ 38 Hình 3. 5 Họ sản phẩm của Ansoft 40 Hình 3. 6 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 41 Hình 3. 7 Mô hình mô phỏng 45 Hình 4. 1 Anten MIMO thông dụng và ăng ten MIMO có đa đầu vào ……..48 Hình 4. 2 So sánh về hệ số tăng ích giữa hai ăng ten có cùng kích thước nhưng khác nhau về cách tiếp điện 49 Hình 4. 3Mô hình anten vi dải 50 Hình 4. 4Cấu trúc đường tiếp điện vi dải 52 Hình 4. 5 Mô hình anten được đề xuất 54 Hình 4. 6 Công cụ tính toán trở kháng vào của đường truyền vi dải 55 Hình 4. 7 Tỉ số sóng đứng 56 Hình 4. 8 Tham số S của anten 57 Hình 4. 9 Đồ thị phương hướng bức xạ trong mặt phẳng E tại (a) 1.92GHz, (b) 2GHz và (c) 2.17GHz 58 Hình 4. 10 Đồ thị phương hướng bức xạ trong không gian 3 chiều 59 Hình 4. 11 Hệ số tăng ích đỉnh 59 Hình 4. 12 Mô hình bẻ góc 450 của đường vi dải 60 Hình 4. 13 Hệ số tổn hao ngược của anten khi thay đổi 61 Hình 4. 14 Hệ số tổn hao ngược của anten khi thay đổi 61 Hình 4. 15 Mật độ dòng điện của anten khi được tiếp bởi (a) đường tiếp điện bên trái và (b) đường tiếp điện bên phải…………………………………………………………….63 Hình 4. 16 Đồ thị phương hướng bức xạ trong mặt phẳng H tại (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 2GHz với đường tiếp điện bên phải, (d) tần số 2GHz với đường tiếp điện bên trái, (e) tần số 2.17GHz với đường tiếp điện bên phải và (f) tần số 2.17 GHz với đường tiếp điện bên trái………………………………………………………………………………………64 Hình 4. 17 Đồ thị phương hướng bức xạ trong mặt phẳng E tại (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 2GHz với đường tiếp điện bên phải, (d) tần số 2GHz với đường tiếp điện bên trái, (e) tần số 2.17GHz với đường tiếp điện bên phải và (f) tần số 2.17 GHz với đường tiếp điện bên trái 66
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đềtài: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ĂNG TEN MÁY THU TÍCH HỢP GPS/GALILEO/UMTS Sinhviênthựchiện: Lớp ĐT11– K52 Giảngviênhướngdẫn: THS. NGUYỄN BÍCH HUYỀN Mục Lục Mục lục hình vẽ Danh sách các từ viết tắt CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã COFDM Coded OFDM OFDM mã hóa DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DSSS Direct Sequence Spreading Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp FCC Federal Communications Commission Hội đồng truyền thông liên bang GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ sư điện và điện tử LAN Local Area Network Mạng cục bộ MB- OFDM Multi Band-OFDM OFDM đa băng MB-UWB Multi Band-UWB UWB đa băng NB Narrow Band Băng hẹp OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất UWB Ultra Wide Band Băng thông siêu rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây WPAN Wireless Personnal Area Network Mạng không dây cá nhân MIMO Multi-input multi-output hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm LOS Light of sight Tầm nhìn thẳng CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên tín hiệu TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian FDMA Frequency division multiple access Đa truy nhập phân chia theo tần số SDMA Spatial division multiple access Đa truy nhập phân chia theo không gian CDMA Code division multiple access Đa truy nhập phân chia theo mã SISO Single input Single Output Đơn đầu vào đơn đầu ra STC Space –time codes Mã không gian thời gian STBC Space-time Block codes Mã khối không gian thời gian STTC Space-time trellis codes Mã lưới không gian thời gian LSTC Layered Space- time codes Mã không gian thời gian theo lớp ML Maximum likelyhood Decoding Bộ giải mã giống nhau lớn nhất. MRC Maximum Ratio Combiner Bộ tố hợp tỷ số lớn nhất PSK Phase shift keying Khóa dịch pha BLAST Bell labs layered space – time Mã không gian theo lớp được đề xuất của Bell H-Blast Horizontal blast Mã blast ngang V- Blast Vertical blast Mã Blast dọc SC Scanning and Selection combiner Bộ tổ hợp quét và lựa chọn EGC Equal Gain Combiner Bộ tổ hợp cùng độ lợi AOA Angles of Arival Góc đến DOA Angles of Departure Góc tới FDTC Finite Difference Time Domain Phương pháp miền thời gian vi sai hữu hạn DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi furie rời rạc FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Furie nhanh EBG Electromagnetic band gap FDTD Finited Difference Time Domain Method Phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian. Lời Nói Đầu Hiện nay, hệ thống anten sử dụng nhiều phần tử bức xạ ở cả phía phát và phía thu hay còn gọi là kĩ thuật MIMO đã được ứng dụng trong kĩ thuật anten. Nó đem lại nhiều ưu thế về chất lượng truyền tín hiệu cũng như tốc độ truyền tải dữ liệu.Khi thông tin được xử lý và chuyển thành sóng điện từ truyền đi trong không gian sẽ có sự suy giảm tín hiệu gây ra bởi khí quyển và hiện tượng phading làm thay đổi chất lượng cũng như tốc độ truyền tín hiệu trong mạng thông tin. Do đó, để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu thì cần phải có băng thông lớn nhưng điều này bị hạn chế vì dải tần số là một tài nguyên khan hiếm. Đồng thời, muốn chất lượng tín hiệu được cải thiện và giảm ảnh hưởng của phading thì máy phát phải đạt được công suất đủ lớn hoặc tăng kích thước anten để duy trì hiệu suất bức xạ, tuy nhiên, đối với những thiết bị di động cầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay có kích thước nhỏ gọn thì không thể áp dụng phương pháp nay được. Kĩ thuật MIMO ra đời nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm trên trong hệ thống thông tin vô tuyến. Hệ thống 3G không còn là một điều mới mẻ trong thông tin di động nữa, mà nó trở thành một đặc điểm thiết yếu trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ như: điện thoại không dây, điện thoại di động kết nối qua Internet, các cuộc gọi di động có hình ảnh, truyền hình di động. Để đáp ứng các tiêu chuẩn IMT-2000, một giải pháp được đưa ra là các thiết bị cùng hoạt động ở cùng dải tần 1920-1980 MHz cho hướng lên và 2110- 2170 Mhz cho hướng xuống. Đây là dải tần phải đăng kí và đã có các tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thống 3G hoàn chỉnh. Bài toán đặt ra là thiết kế anten 3G ứng dụng cho hệ thống MIMO để nâng cao đáng kể tốc độ truyền tải dữ liệu, đặc biệt để tích hợp vào các thiết bị di động cầm tay ( handset mobile devices ) . Việc thiết kế anten MIMO 3G gặp nhiều thách thức và trở ngại.Vấn đề đầu tiên đặt ra là kích thước của anten phải nhỏ gọn đạt được yêu cầu của các nhà sản xuất thiết bị di động khi tích hợp vào sản phẩm của họ.Hơn nữa, trong hệ thống nhiều phần tử bức xạ, ảnh hưởng tưỡng hỗ giữa chúng là đáng kể, hiện tượng này cần phải được giảm thiểu để nâng cao độ ổn định và hiệu suất bức xạ của hệ thống. Anten vi dải (Microstrip Antenna) là một loại anten có nhiều ưu điểm thỏa mãn được các yêu cầu đặt ra ở trên: nhỏ gọn, có thể tích hợp được trên nhiều bề mặt khác nhau, dễ chế tạo, rẻ tiền. Vì vậy, nhiệm vụ đặt ra là thiết kế anten vi dải ứng dụng trong hệ thống Multi-in Multi-out 3G. Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ từ các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông cũng như bè bạn trong khoa, đặc biệt phải kể đến sự tận tâm, nhiệt tình của Ths. Nguyễn Khắc Kiểm giáo viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp. Tôi xin được gửi lời chân thành cảm ơn tới PGS. Đào Ngọc Chiến, các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông cùng toàn thể các cá nhân, tập thể đã có những giúp đỡ kịp thời cũng như những ý kiến đóng góp quý báu cùng góp phần hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà đề tài đặt ra. Tóm tắt đồ án Khi kĩ thuật Multiple-input Multiple-output được ứng dụng cho anten 3G, nó đem lại cho hệ thống khả năng truyền tải một khối lượng dữ liệu lớn hơn mặc dù không có sự mở rộng về băng thông.Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống này gặp phải nhiều khó khăn trong việc giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ mà tác động của nó tới chất lượng tín hiệu là đáng kể. Mục đích của đồ án này là nghiên cứu và thiết kế mô hình anten vi dải làm việc ở dải tần siêu rộng từ 1.9Ghz đến 2.2Ghz, che phủ cả 2 dải tần hoạt động của 3G . Đồng thời kết hợp với kĩ thuật MIMO, tính toán, đánh giá và tìm cách giảm thiểu tác dụng tương hỗ giữa các anten để từ đó có thể chế tạo thử nghiệm.Trên thực tế, tôi đã tiến hành thiết kế thành công mô hình cho mức độ tương hỗ giữa các anten thành phần thỏa mãn yêu cầu đặt ra, trong đó, các thông số truyền đạt, đồ thị bức xạ phương hướng và đặc biệt là kích thước hệ thống đã được tối ưu Nhờ vào kích thước anten nhỏ, anten được đề xuất có thể tích hợp vào các thiết bị di động kích thước nhỏ. Kết quả thiết kế cuối cùng, thông số truyền đạt giữa hai cổng là một kết quả tốt và chấp nhận được. Abstract Once the Multiple-input Multiple-output technology is applied in the field of 3G system antenna technique, it will increase the amount of data transmitted significantly though the bandwidth of the channel is limited. However, in the process of designing this system, we could suffer the problem of reducing the mutual coupling proportion between antenna elements which can leads to interference of the signals. The aim of this project is a method of designing and simulating an antenna model which operates at the 3G frequency from 1.9Ghzto 2.2 GHz. In addition, by advance development of Multi input Multi output, the antenna system with much higher efficiency will be offered. The calculation, analysis, estimation of the system can be difficult because of the effect of mutual coupling between antenna elements. After taking an insight look into antenna field, I did success in producing a model which has a low mutual coupling, low return loss, omni-directional radiation pattern and the optimum dimensions of the system. In the proposed antenna, one radiation element is mounted on 2 sides of a substrate. This antenna can be integrated in lots of handheld devices because of its compact dimensions. Chương 1 Giới thiệu Sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ số liệu mà IP đã đặt ra các yêu mới đối với công nghệ viễn thông di động. Thông tin di động thế hệ 2 mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng được dịch vụ mới này. 3G (third-generation) công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba là giai đoạn mới nhất trong sự tiến hóa của ngành viễn thông di động.Nếu 1G (the first gerneration) của điện thoại di động là những thiết bị analog, chỉ có khả năng truyền thoại.2G (the second generation) của ĐTDĐ gồm cả hai công năng truyền thoại và dữ liệu giới hạn dựa trên kỹ thuật số. Trong bối cảnh đó ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 với tên gọi IMT – 2000. IMT – 2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phương tiện thông tin. Mục đích của IMT – 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000. 3G mang lại cho người dùng các dịch vụ giá trị gia tăng cao cấp, giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữ liệu (như e-mail và tin nhắn dạng văn bản), download âm thanh và hình ảnh với băng tần cao. Các ứng dụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động; chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ điện thoại máy ảnh; gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn; tải tệp tin video và MP3; thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay PDA và nhắn tin dạng chữ với chất lượng cao… 1.1Động lực phát triển - Các giao diện, thiết bị đã và đang được hỗ trợ bởi các nhà sản xuất công nghiệp điện tử. - Việc nghiên cứu sâu hơn có thể mở ra nhiều hướng phát triển cũng như thách thức mới, trong đó, khả năng kết hợp các công nghệ với nhau được các nhà nghiên cứu quan [...]... nhau Phân tập phân cực : Khi đó hai tín hiệu được phân cực ngang và phân cực đứng được truyền bởi hai anten được phân cực khác nhau Và được thu tương ứng ở hai anten thu được phân cực khác nhau đảm bảo không có sự tương quan giữa hai dòng dữ liệu mà chẳng quan tâm đến khoảng cách giữa hai anten Khi thiết kế anten MIMO thì ta thường sử dụng kết hợp phân tập không gian với phân tập góc, phân tập phân. .. hệ thống mà máy phát và máy thu đếu sử dụng nhiều anten Anten máy phát và anten ở máy thu đều cách nhau ở một khoảng cách nhất định Trong mô hình MIMO, ta giả sử rằng: - Các symbol được truyền từ anten từ những khoảng thời gian cho trước - Máy thu thu ở các khe thời gian là sự tổng hợp của các tín hiệu được truyền và thành phần AWGN là các hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ và anten thu thứ - Mối... bản riêng lẻ Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (phân tập anten) Trong đó kỹ thu t phân tập anten hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của phađing, đồng thời tránh lãng phí băng thông tần số - một yếu tố... cao vì với băng thông đắt và hiếm, số lượng các trạm gốc bị hạn chế , nhờ có việc sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu làm tăng tốc độ truyền dữ liệu nhờ vào kỹ thu t phân kênh không gian trong khi đó không cần mở rộng băng thông Chất lượng truyền dẫn tốt hơn hay nói cách khác tỷ lệ lỗi bit giảm do sử dụng nhiều anten bên thu giúp chống được phađing Và với việc sử dụng kỹ thu t dãy anten có thể... thời gian 1.2 Kết quả mong đợi Đồ án này hướng tới phát triển, nghiên cứu, thiết kế một hệ thống anten hoàn chỉnh ứng dụng cho mạng di động 3G Quá trình thiết kế sẽ gặp nhiều trở ngại trước tiên là việc lựa chọn loại anten phù hợp nhất đáp ứng được những yêu cầu như giá thành rẻ, dễ chế tạo, tính tích hợp cao cho các thiết bị di động Sau đó là giai đoạn áp dụng một số phương pháp kĩ thu t để điều chỉnh... anten thành phần ảnh hưởng đến mật độ phổ công suất tại vị trí các anten lân cận Do tất cả các anten vốn dĩ chẳng bao giờ đẳng hướng lý tưởng cả - Tính chất phân cực của anten thành phần: Tính chất phân cực quyết định đến sự cảm ứng điện từ trên anten Các anten được ghép nối đúng tính chất phân cực sẽ có độ tương quan tín hiệu là nhỏ nhất 2.2.5 Kĩ thu t phân tập anten 2.2.5.1Giới thiệu về kĩ thu t phân. .. ra và đầu vào của hệ thống anten có thể được viết như sau: =+ (2 1) hay (2 2) với gọi là ma trận kênh 2.2.2 Những hạn chế của kênh truyền không dây Việc truyền tín hiệu RF giữa hai anten sẽ chịu sự tổn thất năng lượng trong không gian Điều này làm giảm đáng kể đến sự hoạt động của đường truyền Sự tổn thất năng lượng giữa máy phát và máy thu là kết quả của ba hiện tượng khác nhau: Sự suy giảm phụ thu c... chụp và gửi ảnh kỹ thu t số nhờ điện thoại máy ảnh; gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn; tải tệp tin video và MP3; thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay PDA và nhắn tin dạng chữ với chất lượng cao… 2.2 Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO 2.2.1 Định nghĩa và đặc điểm Hệ thống non-MIMO liên hệ với kênh truyền thông qua nhiều dải tần số còn hệ thống MIMO thì có nhiều kênh và. .. phân tập anten Kỹ thu t phân tập là một trong những phương pháp dùng để hạn chế ảnh hưởng của phađing Ý tưởng cho việc phân tập là tạo ra cách kênh độc lập với nhau và phađing ở các kênh không xảy ra đồng thời Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thu t phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của phađing đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải tăng công suất hay băng thông Phân tập... lợi phân kênh không gian: độ lợi công suất thu được từ việc sử dụng nhiều anten ở cả hai phía của kênh truyền vô tuyến mà không cần tăng công suất máy phát hay mở rộng băng tần Độ lợi phân tập: Nâng cao độ tin cậy kênh truyền bằng cách phát trùng dữ liệu trên những nhánh phađing độc lập Như vậy đầu ra gấp lần đầu vào 2.2.4 Hệ thống đa ănten và ảnh hưởng tương hỗ 2.2.4.1 Giới thiệu hệ thống đa anten . đường truyền hay tổn hao không gian tự do. Sự hấp thụ của các phân tử khí quyển trái đất. Sự suy giảm do hiện tượng phađing gây ra. Sự hấp thụ của khí quyển là do các electron, phân tử hơi nước không. tương hỗ: tán xạ trường khu gần và do sóng bề mặt. Tán xạ trường khu gần là sự bức xạ từ anten nguyên tố này sang cái còn lại qua trường không gian tự do. Do các anten đặt trong khoảng cách ngắn,. vào kích cỡ của vật chắn và khoảng cách đến nó. Do vậy, cường độ của tín hiệu thu được biến thiên một cách tất yếu. Loại phađing này gọi là shadow phađing. Cách khắc phục là đặt các trạm BS cao và