CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ
NGHĨA VIỆT NAM
1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN 4 BÚP
SÓNG ĐỘC LẬP CHO MẠNG DI ĐỘNG –
MẠNG TIẾP ĐIỆN

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN XUÂN PHÚC
Lớp ĐT8 – K51
Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN
Hà Nội, 5-2011
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: .…………….………….…… Số hiệu sinh viên: ………………
Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………………
1. Đầu đề đồ án:
……………………………………………… ………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………… ………
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
…………………………………… …………………………………………… …… ……………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………….…
……………………… …………………………………………………………………………………….
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
……………………………………………………………………………………………………………… ….
……………………………………………………………………………………………………………………………………
….
……………………………………………………………………………………………………………………………………
… ….……………………………………………………………………………………………
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
……………………………………………………………………………………………………………………… ….
………………………………………………………………………………………………………………………… ……….
………………………………………………………………………………………………………….
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……………………………………………………… ……………………
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ………
Ngày tháng năm
Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn
2
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
3
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:
Ngành: Khoá:
Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:








2. Nhận xét của cán bộ phản biện:










Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
4
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 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. 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 tử-viễn 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.
5
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 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
0

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
0
trên toàn bộ băng thông yêu cầu với tần số trung tâm là 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

6
(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
0
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
0
respectively over all bandwidth with a center
frequency at 2.045GHz.
Mục lục
7
Danh sách các hình vẽ
Danh sách các bảng biểu
8
Danh sách các từ viết tắt
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã
3G Third Generation Mạng di đông thế hệ thứ 3
BS Base Station Trạm gốc

AOA Angle of Arrival Góc tới
C/I Carrier to Interference Ratio Tỉ số sóng mang trên nhiễu
DOA Direction of Arrival Hướng sóng tới
FDD Frequency Division Duplex Song công theo tần số
GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu
MMSE Minimum Main Square Error Sai số trung bình bình phương
tối thiểu
MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỉ lệ cực đại
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
SOI Signal of Interest Tín hiệu mong muồn
UMTS Universal Mobile
Telecommunication System
Hệ thống thông tin di động
toàn cầu.
HPBW Half Power Beam width Bề rộng búp nửa công suất
IEEE Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện kỹ sư điện và điện tử
SDMA Space Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo
không gian
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo
thời gian
FDTD Finited Difference Time
Domain Method
Phương pháp vi phân hữu hạn
miền thời gian
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi furie nhanh
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi furie rời rạc

9
10
CHƯƠNG I
Tổng quan về anten thông minh
1.1 Mở đầu
Những 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 minh
1.2.1 Khái niệm
Anten 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.
11
Hình 1.1: Dàn anten thông minh
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của anten thông minh
Lúc đầu anten chỉ đơn giản là bức xạ và nhận năng lượng như nhau theo
mọi hướng. Để truyền tín hiệu đến thuê bao, nó phát sóng đẳng hướng theo
phương ngang, Khi truyền tín hiệu như vậy thì nó không có ý thức nào về vùng
lân cận thuê bao, năng lượng tín hiệu truyền đi một cách phân tán, phần năng
lượng tín hiệu truyền đến thuê bao chỉ là một phần rất bé so với năng lượng mà
anten truyền ra môi trường xung quanh.Do hạn chế này mà công suất tín hiệu
phát phải lớn hơn đầu thu mới nhận đủ một năng lượng tín hiệu cần thiết (SNR
tại nơi thu đủ lớn). Trong trường hợp có nhiều thuê bao đồng kênh, khi nâng
công suất truyền, phần năng lượng không đến được thuê bao mong muốn lại trở
thành nguồn nhiễu đồng kênh cho các thuê bao khác.
Ý tưởng cơ bản của anten thông minh dựa vào hệ thống thính giác của con
người. Một người có thể nhận biết hướng đến (Direction of Arrival) của một âm
thanh băng cách lợi dụng 3 đặc điểm:
• Tai người hoạt động như một cảm biến âm thanh và nhận tín hiệu.
• Giữa hai tai có khoảng cách nên mỗi tai sẽ nhận được tín hiệu với thời gian trễ
khác nhau.
12
• Bộ óc con người là một bộ xử lí tín hiệu đặc biệt, nó thực hiện một số lượng lớn
phép tính để kết hợp thông tin và tìm ra vị trí của âm thanh nhận.
Giả thiết có 2 người nói chuyện trong một phòng. Người nghe trong 2 người
có thể xác định được vị trí của người nói khi anh ta gần phòng vì giọng của
người nói đến cảm biến âm thanh (ở đây là đôi tai) với thời gian khác nhau. Bộ
xử lí của con người là bộ não có thể ước lượng được hướng của người nói từ sự

khác biệt thời gian trễ giữa 2 tai. Sau đó bộ não thêm vào cường độ tín hiệu mỗi
tai để tập trung vào âm thanh của hướng đã tính được.
Lợi dụng quá trình tương tự, bộ não con người có khả năng nhận biết rất
nhiều tín hiệu với nhiều hướng tới khác nhau. Vì vậy nếu người nói khác tham
gia vào cuộc nói chuyện, bộ não có thể tăng cường tín hiệu nhận được từ người
cần nghe mà không chú ý tới người khác. Do đó, người nghe có khả năng nhận
ra giọng một người từ nhiều người đang nói chuyện cùng lúc, và tập trung vào
một cuộc nói chuyện tại một thời điểm. Theo cách này, nhiễu không mong
muốn sẽ yếu đi. Ngược lại người nghe có thể đáp lại hướng người nói bằng cách
định hướng là miệng tới người nói.
Hình 1.2: cơ chế nhận biết hướng tín hiệu đến dựa vào hệ thống thính giác của
con người
Hệ thống anten thông minh làm việc cũng theo cách đó, dùng ít nhất 2 anten
thay cho 2 tai, và một bộ xử lí tín hiệu thay cho bộ não như hình 1.3. Dựa vào
thời gian trễ của tín hiệu trên các phần tử anten, bộ xử lí tín hiệu số tính được
hướng sóng tới (DOA) của tín hiệu mong muốn(SOI), và sau đó điều chỉnh các
kích thích (tăng ích và pha của tín hiệu) để tạo ra mô hình bức xạ tập trung vào
SOI trong khi loại bỏ tín hiệu không mong muốn (SNOI).
Cùng ý tưởng đó với hệ thống thông tin di động, trạm gốc đóng vai trò là
người nghe, điện thoại tế bào như là các âm thanh được tai nghe thấy. Bộ xử lí
13
tín hiệu trạm gốc làm việc với dãy anten có trách nhiệm điều chỉnh các thông số
để lọc ra nhiễu hay SNOI trong khi tăng cường SOI. Như thế, hệ thống định
dạng mô hình bức xạ theo cách thích nghi, đáp ứng linh hoạt tín hiệu môi
trường và sự biến đổi của nó.
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 thay đổi hướng một cách liên tục theo thời gian
thực.
Đối với nhiễu giao 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,
14
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.
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 tín hiệu mong muốn 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 hơn, vì vậy nhậ được cường độ tín hiệu lớn hơn. Tương
tự, tín hiệu nhiễu 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.
15
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 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
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
và hướng về phía thuê bao mong muốn, các nút 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
2 / N
π
∆Φ =
. Búp sóng chính của đồ thị bức xạ phủ toàn vùng ngang.
Hình 1.6: Các loại cấu trúc ănten thông minh
Cấu trúc dàn chữ nhật và cấu trúc dàn lập phương: Điều khiển búp sóng
theo cả hai phương dọc và ngang. Hai cấu trúc này cần thiết cho môi trường
truyền sóng phức tạp (đô thị đông đúc). Về mặt lý thuyết nếu hệ thống có L
phần tử ănten, có thể tạo L-1 nút sóng hướng về phía các thuê bao nhiễu đồng
kênh trong cell.Tuy nhiên trong môi trường đa đường thì con số này có thể nhỏ
hơn.
16
1.2.5 Các tham số dàn anten
Dưới đây là một số các định nghĩa được sử dụng để mô tả hệ thống anten:
Mẫu bức xạ: Mẫu bức xạ của một anten là sự phân phối tương đối công suất
bức xạ như một hàm hướng trong không gian. Mẫu bức xạ của một anten là kết
quả của một mẫu phần tử và hệ số dàn, hai cái này được định nghĩa bên dưới.
Nếu là mẫu bức xạ của mỗi phần tử ănten và

),(
φθ
F
là hệ số dàn thì mẫu bức
xạ của dàn,
),(
φθ
G
, được gọi là mẫu búp sóng được cho bởi phương trình dưới
đây:
(1.1)
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 hướng tại 0
0
và mẫu bức xạ, kết quả của việc kết hợp hai thành
phần trên.
Hệ số dàn: Hệ số dàn, , là mẫu bức xạ trường xa của dàn anten gồm các
phần tử bức xạ đẳng hướng, trong đó là góc phương vị và 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 là 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 suất đầu vào anten.
Búp sóng nhiễu xạ: Khi khoảng cách giữa các phần tử dàn anten d > thì xảy
ra hiện tượng lấy mẫu không gian của sóng mang tần số vô tuyến nhận được,
gây ra hiện tượng tối đa thứ cấp, được gọi là các búp sóng nhiễu xạ, xuất hiện
trong mẫu bức xạ, chúng ta có thể thấy trong hình 1.4. Hiện tượng lấy mẫu
không gian dẫn đến sự không rõ ràng trong hướng của các tín hiệu đến, điều này
có nghĩa là xuất hiện những bản sao của búp sóng chính trong những hướng
không mong muốn. Hiện tượng búp sóng nhiễu xạ trong lấy mẫu không gian
tương tự với hiệu ứng gán biệt danh trong lấy mẫu thời gian. Do đó khoảng cách
17
d giữa các phần tử trong dàn phải được chọn nhỏ hơn hoặc bằng , để tránh
các búp sóng nhiễu xạ . Tuy nhiên, khoảng cách không gian giữa các phần tử
lớn hơn sẽ cải thiện giải pháp không gian cho dàn anten, tức là giảm độ
rộng búp sóng 3dB như trong hình 1.4, và giảm tính tương quan giữa các tín
hiệu đến tại các phần tử anten.
Hình 1.7: Hệ số dàn của dàn anten tuyến tính với khoảng cách ănten là được
định hướng tại 0
0
, đáp ứng của mỗi phần tử dàn ănten và mẫu bức xạ do kết hợp cả
hai điều kiện trên.
1.3 Ưu điểm của anten thông minh trong thông tin di động.
1.3.1 giảm trãi trễ và pha đinh đa đường
Trải trễ do đường truyền đa đường gây ra, trong đó một tín hiệu đến từ các
hướng khác nhau sẽ bị trễ do đi theo các khoảng cách khác nhau. Ở phía phát,
một anten thông minh có thể tập trung năng lượng theo hướng yêu cầu, hỗ trợ
trong việc giảm phản xạ đa đường và do đó giảm trải trễ ở phía thu, dàn anten
có thể thực hiện kết hợp tối ưu sau khi bù trễ cho các tín hiệu đa đường tới dàn.
Những tín hiệu mà trễ không thể bù đắp có thể bị xoá bỏ do hình thành các nút
sóng trong hướng của chúng.

Trạng thái hướng của một dàn anten cũng dẫn đến hiện tượng trải phổ nhỏ
hơn của các tần số Doppler tại máy di động. Đối với một anten vô hướng tại cả
trạm gốc và tại máy di động, hướng góc đến ở máy di động được phân bố giống
nhau. Do đó phổ Doppler được cho bởi mô hình Clarke như sau:
(1.2)
18
Trong đó, là công suất trung bình được phát và là độ dịch Doppler
lớn nhất, với là vận tốc của máy di động và là độ dài bước sóng mang. Tuy
nhiên, nếu một anten có hướng được sử dụng tại trạm gốc thì mật độ phổ công
suất được tính theo công thức:
(1.3)
Trong đó là hướng di chuyển của máy di động so với đường thẳng nối
trạm gốc đến máy di động và là PDF của DOA các thành phần đa đường
tại máy di động, có công thức tính như sau:
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,
(1.4)
trong đó: (1.5)
19
Hơn nữa, là độ rộng búp sóng của anten có hướng gọi là ‘flat- top’ lý
tưởng, có độ lợi bằng 0, ngoại trừ trải góc , trong khi đó độ lợi là 1, R là bán
kính của khu vực tròn bao gồm tất cả các bộ tán xạ và D là khoảng cách riêng
biệt giữa trạm gốc và máy di động. Cuối cùng, và là các hằng số được sử
dụng để tính toán:
(1.6)
Hình 1.9 đưa ra những ví dụ của phổ Doppler cho độ rộng búp sóng là 2,
10, 20 độ đối với máy di động di chuyển tại góc 0, 45, 90 so với thành phần
LOS, trong đó khoảng cách trạm gốc đến máy di động là 3 km, nơi mà các bộ
tán xạ được đặt trong một vòng tròn có bán kính 1 km, tâm là máy di động.
1.3.2 Giảm nhiễu đồng kênh

Dàn anten cho phép sử dụng phương pháp lọc không gian, phương pháp
này được áp dụng cho cả bên thu cũng như bên phát để giảm nhiễu đồng kênh.
Khi phát, anten được sử dụng để tập trung năng lượng phát xạ nhằm tạo ra một
búp sóng có hướng trong vùng có bộ thu. Điều này có nghĩa là có ít nhiễu hơn
trong các hướng khác mà búp sóng không hướng đến. Nhiễu đồng kênh bên
phát có thể giảm bằng cách hình thành những nút sóng trong hướng của các bộ
thu khác. Lược đồ này mục đích là giảm năng lượng phát trong hướng của các
bộ thu đồng kênh và do đó cần những thông tin về quyền ưu tiên vị trí của
chúng.
1.3.3 Tăng dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ
Hiệu suất phổ của một mạng liên quan đến lưu lượng mà một hệ thống cho
trước với sự phân phối phổ nhất định có thể điều khiển được. Việc tăng số
lượng người dùng của hệ thống thông tin di động mà không làm mất mát hiệu
năng sẽ tăng hiệu suất phổ. Dung lượng kênh liên quan đến tốc độ dữ liệu lớn
nhất mà một kênh có một độ rộng băng tần cho trước có thể duy trì được. Dung
lượng kênh được cải tiến sẽ dẫn đến khả năng phục vụ nhiều người sử dụng hơn
với một tốc độ dữ liệu xác định, có nghĩa là hiệu suất phổ tốt hơn. Chất lượng
của dịch vụ, khi sử dụng anten thông minh để giảm nhiễu đồng kênh và pha
đinh đa đường, có thể bị thay đổi theo sự gia tăng số lượng của người sử dụng.
20
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
m
= 100 Hz
1.3.4 Tăng hiệu suất truyền dẫn
Một dàn anten có hướng trong tự nhiên, có độ khuyếch đại cao trong hướng
mà búp sóng hướng đến. Tính năng này có thể được tận dụng để mở rộng dải
tần của trạm gốc, làm kích thước của cell lớn hơn hay có thể được sử dụng để
giảm công suất phát của các máy di động. Việc sử dụng anten có hướng cho

phép trạm gốc nhận một tín hiệu yếu hơn so với anten vô hướng. Điều này có
nghĩa là máy di động có thể phát công suất thấp hơn và tuổi thọ của pin sẽ dài
hơn, hay nó có thể sử dụng pin nhỏ hơn, do đó sẽ có trọng lượng và kích thước
nhỏ hơn, điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với máy di động điều khiển
bằng tay. Khi đó, trạm gốc cũng giảm công suất phát và cho phép sử dụng các
thành phần điện tử có chỉ tiêu công suất thấp hơn nên chi phí cũng sẽ thấp hơn.
1.3.5 Giảm chuyển giao
Khi lưu lượng trong một cell tăng vượt quá dung lượng của cell đó thì việc
phân tách cell thường được sử dụng để tạo ra những cell mới, mỗi một cell sẽ có
một trạm gốc và một tần số cố định. Việc giảm kích thước cell dẫn đến tăng số
21
lượng chuyển giao được thực hiện. Bằng cách sử dụng ănten thông minh để tăng
dung lượng của cell, số lượng chuyển giao cần thiết có thể được giảm. Vì mỗi
búp sóng chỉ hướng đến một thuê bao, chuyển giao là không cần thiết trừ khi
các búp sóng sử dụng cùng tần số giao nhau.
1.3.6 Mở rộng tầm phủ sóng
Tầm sóng được định nghĩa là khoảng cách lớn nhất mà người sử dụng vẫn
có thể liên lạc với trạm gốc trong khi đó vẫn đảm bảo được chất lượng của tín
hiệu. Khả năng mà anten thông minh có thể mở rộng được tầm sóng là do tăng
được tỷ lệ tín hiệu thu trên nhiễu. Giả sử, chúng ta có L phần tử anten và nhiễu
chính giới hạn, tín hiệu kết hợp chồng pha đơn giản, đến L phần tử ănten thì sẽ
thu được công suất tín hiệu tăng lên L
2
lần trong khi công suất nhiễu tăng lên chỉ
có L lần.
Gọi là SNR thu thấp nhất, được xác định:
(1.7)
Trong đó P
min
(d

1
) là công suất tín hiệu thu yêu cầu so với bộ thu một phần tử
tương ứng khi thu phát riêng biệt ở khoảng cách d
1
và N
0
là công suất nhiễu. Để
phân tích ưu điểm của anten thông minh, thì trước hết biết rằng công suất tín
hiệu thu là hàm của khoảng cách.
P
min
(d) = P
0
(d
0
/d)
n
(1.8)
P
o
là công suất tại khoảng cách đa tiêu chuẩn, d là khoảng cách thu phát, n
là hệ số mũ suy hao đường truyền. Khi một anten L phần tử thì SNR tối thiểu là:
L
2
P
min
(d
L
)/L.N
0

= LP
min
(d
L
)/N
0
(1.9)
22
Hình 1.10 : Hệ số tầm sóng theo số phần tử của ănten
Trong đó d
L
là tầm xa tối đa của anten L phần tử.Từ phương trình 1.22 và 1.23
có :
P
min
(d
L
) = (1/L)P
min
(d
1
) (1.10)
Từ (1.8) và (1.10) ta lại có:
P
min
(d
1
)/P
min
(d

L
) = (d
1
/d
L
)
n
= L (1.11)
Giải d
L
ta được: d
L
= M
1/n
d
1

(1.12)
Trên hình 1.10 thể hiện hệ số cải thiện của tầm sóng anten bằng hàm của số
phần tử anten đối với nhiều hệ số mũ suy hao đường truyền. Kết quả này cho
thấy tầm sóng được mở rộng nhiều hơn đối với môi trường có suy hao đường
truyền thấp.
1.3.7 Tăng diện tích vùng phủ sóng.
Trong phần này, chúng ta sẽ thấy rằng ănten thông minh cũng được dùng để
tăng diện tích phủ sóng trong khi vẫn đảm bảo được mức tín hiệu. Giả thiết rằng
kích thước của cell là không thay đổi và công suất phát của máy di động là cố
định hướng tới các phần tử ănten thu.
23
1.3.7.1 Mức độ vùng phủ của anten đơn phần tử.
Để tính được mức độ tăng vùng phủ sóng khi sử dụng anten thông minh,

trước hết ta phải tính vùng phủ sóng của một phần tử anten. Vì tăng vùng phủ
đạt được bằng mảng anten là tăng vùng phủ của từng phần tử anten.
Giả sử độ lớn tín hiệu được xác định bằng khoảng cách từ trạm gốc. Nên,
khi công suất tín hiệu thu P được tính bằng dB, hàm mật độ xác suất của công
suất tín hiệu thu là:
(1.13)
Trong đó P: công suất tín hiệu thu được.
: trung bình bình phương tính theo dB.
Khi đó xác suất công suất tín hiệu dựa trên ngưỡng yêu cầu là :
(1.14)
Với erf(x) là hàm lỗi chuẩn. Phương trình (1.14) cho biết xác suất chất
lượng tín hiệu thu khi hàm mật độ xác suất của công suất tín hiệu thu có dạng
như trong phương trình (1.13). Nhưng do suy hao đường truyền của tín hiệu thu
trung bình rất khác nhau theo khoảng cách truyền dẫn. Giả sử suy hao đường
truyền tỷ lệ thuận với d
-n
, trong đó d là khoảng cách giữa trạm gốc và thuê bao
di động, n là hệ số mũ suy hao đường truyền, thì ta có mức tín hiệu trung bình
là:
(1.15)
Với : công suất truyền tính theo dB.
R: bán kính cell.
Kết hợp (1.14) và (1.15), ta có xác suất mức tín hiệu cần thiết là hàm của
khoảng cách d:
(1.16)
Đặt a = và b = khi đó ta có:
24
(1.17)
Hình 1.11 : Mức độ phủ phân đoạn cell đối với anten thu đơn phần tử.
Hình 1.11 thể hiện mức lệch chuẩn của logarit phađinh chung . Các cung

đánh nhãn tương ứng với các tương tác ở biên cell. Tăng mức độ phủ biên cell
sẽ làm tăng mức độ vùng phủ trong cell. Đồ thị cũng cho thấy mức độ vùng phủ
của cell giảm khi tăng mức lệch chuẩn của hiệu ứng màn chắn.
1.3.7.3 Mức độ vùng phủ của anten L phần tử.
Giả sử cell có bán kính không thay đổi và hệ thống có nhiễu giới hạn, khi
đó ta có thể tăng diện tích vùng phủ sóng bằng cách sử dụng một dàn anten L
phần tử. Như đã đề cập ở trên dàn anten L phần tử sẽ tăng công suất tín hiệu lên
L
2
lần và công suất nhiễu chỉ tăng lên L lần. Kết quả này chỉ đúng khi nhiễu ở
phần tử anten này không tương tác với nhiễu ở những phần tử anten khác.
Khi công suất nhiễu tăng lên L lần, để SNR được đảm bảo thì mức công
suất tín hiệu cũng phải tăng lên L lần. Do đó, mức công suất ngưỡng tính theo
dB của dàn anten là:
(1.18)
Với là ngưỡng tín hiệu ban đầu đối với bộ thu một phần tử. Hơn nữa, khi
sử dụng dàn kết hợp thì tín hiệu thu được ở mỗi phần tử có công suất tăng lên L
2
lần. Vì vậy công suất đầu ra là:
25