Đồ án tốt nghiệp: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ĂNGTEN, TIẾP ĐIỆN VI SAI, PHÂN CỰC KÉP, HAI BĂNG TẦN CHO TRẠM THU PHÁT DI ĐỘNG 5G

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ĂNG-TEN, TIẾP ĐIỆN VI SAI, PHÂN CỰC KÉP, HAI BĂNG TẦN CHO TRẠM THU PHÁT DI ĐỘNG 5G Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN VIỆT HƯNG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN KHẮC TOÀN Lớp: D17CQVT02-B Khóa: 2017 - 2020 Hệ: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY HÀ NỘI – 2021 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ĂNG-TEN, TIẾP ĐIỆN VI SAI, PHÂN CỰC KÉP, HAI BĂNG TẦN CHO TRẠM THU PHÁT DI ĐỘNG 5G Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN VIỆT HƯNG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN KHẮC TỒN Lớp: D17CQVT02-B Khóa: 2017 - 2020 Hệ: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY HÀ NỘI – 2021 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THƠNG BỘ MƠN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc ĐỀ CƯƠNG ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ tên sinh viên: Nguyễn Khắc Toàn Lớp: D17CQVT02-B Ngành đào tạo: Kỹ thuật Điện tử Viễn thơng Khố: 2017 - 2021 Hệ đào tạo: Đại học quy 1/ Tên đồ án tốt nghiệp Phân tích thiết kế ăng-ten tiếp điện vi sai, phân cực kép, hai băng tần cho trạm thu phát di động 5G 2/ Lý chọn đề tài Ngày nay, xu sử dụng thiết bị di động không dây ngày gia tăng Do việc gia tăng lưu lượng truyền dẫn không dây dự báo phát triển mạnh mẽ năm điều tất yếu Một thống kê năm 2017 lưu lượng liệu toàn cầu tăng lên đến 71% tháng đạt 11,5 exabyte tính đến cuối năm 2017 Tuy nhiên số chưa dừng lại dự kiến lên đến 77 exabyte tháng vào năm 2022, nhận thấy thay đổi hệ thống truyền liễu khơng dây cho thiết bị di động đóng vai trị vơ quan trọng Anten thiết bị quan trọng thiếu hệ thống tin di động coi cấu trúc chuyển tiếp không gian tự thiết bị dẫn hướng Vì em muốn thử sức để tìm hiểu nghiên cứu thiết kế anten cho mạng di động 5G thử thách với thân 3/ Nội dung nghiên cứu Chương 1: Giới thiệu sơ lược hệ thống truyền thông tin không dây hệ thứ (bao gồm giới thiệu, nhu cầu với hệ thống, công nghệ tiềm năng, trạm gốc, quang phổ…) Chương 2: Lý thuyết anten (bao gồm giới thiệu chung, phân cực, lý thuyết mảng, tiếp điện vi sai …) Chương 3: Thiết kế anten phân cực kép băng tần cho trạm gốc 5G (bao gồm giới thiệu lý thuyết mô phỏng…) Kết luận hướng phát triển 4/ Tài liệu tham khảo [1] Balanis, C A (2016) Antenna theory: analysis and design John wiley & sons [2] J.G Andrews et al., “What Will 5G Be?”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 32, no 6, pp 1065 – 1082, Jun 2014 [3] Yapeng Li, Zhipeng Zhao, Zhaoyang Tang, and Yingzeng Yin “Differentially-Fed, DualBand Dual-Polarized Filtering Antenna with High Selectivity for 5G Sub-6 GHz Base Station Applications” [4] J Qian, F Chen, Q Chu, Q Xue and M J Lancaster, “A Novel Electric and Magnetic Gap-Coupled Broadband Patch Antenna With Improved Selectivity and Its Application in MIMO System,” IEEE Trans Antennas and Propag., vol 66, no 10, pp 5625-5629, Oct 2018 [5] C F Ding, X Y Zhang, Y Zhang, Y M Pan and Q Xue, “Compact Broadband DualPolarized Filtering Dipole Antenna With High Selectivity for Base-Station Applications,” IEEE Trans Antennas and Propag., vol 66, no 11, pp 5747-5756, Nov 2018 [6] W Duan, X Y Zhang, Y Pan, J Xu and Q Xue, “Dual-Polarized Filtering Antenna With High Selectivity and Low Cross Polarization,” IEEE Trans Antennas and Propag., vol 64, no 10, pp 4188-4196, Oct 2016 6/ Ngày giao đề tài: 17/10/2021 7/ Ngày nộp quyển: 11/12/2021 Hà Nội, ngày 19 tháng 10 năm 2021 CÁN BỘ, GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN Nguyễn Khắc Tồn TRƯỞNG BỘ MƠN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Sự phát triển nhanh chóng cơng nghệ truyền thơng 5G mang lại yêu cầu cao ăng ten trạm gốc Đồ án: “Phân tích thiết kế ăng-ten, tiếp điện vi sai, phân cực kép, hai băng tần cho trạm thu phát di động 5g” tìm hiểu nguyên lý phân tích thiết kế anten, ứng dụng việc thiết kế anten cho hệ trạm gốc 5G Đây đề tài nghiên cứu đòi hỏi đầu tư tìm hiểu chun sâu có khả ứng dụng trạm gốc hệ Do đồ án mang ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Về hình thức đồ án trình bày rõ ràng, theo qui định đồ án tốt nghiệp Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Trong trình làm đồ án, sinh viên Nguyễn Khắc Toàn thể tinh thần nghiêm túc, khả tìm hiểu tinh thần học hỏi Từ nắm vững kiến thức kiến thức mở rộng đồ án Nhận xét chung, đồ án đáp ứng đầy đủ nội dung theo đề cương yêu cầu đồ án tốt nghiệp Đề nghị cho phép sinh viên Nguyễn Khắc Toàn bảo vệ trước hội đồng tốt nghiệp Điểm : (Bằng chữ: ) Ngày tháng năm 2021 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Nguyễn Việt Hưng NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Điểm : (Bằng chữ: ) Ngày tháng năm 2021 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT xii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN KHÔNG DÂY THẾ HỆ THỨ .2 1.1 Nhu cầu cho đời mạng thông tin hệ thứ .3 1.2 Các thành phần công nghệ tiềm .4 1.3 Trạm gốc 1.4 Phổ tần 1.4.1 Phổ tần GHz 10 1.4.2 Dung lượng GHz 10 1.5 Phổ băng tần 2.6 GHz cho băng tần di động toàn cầu 11 1.6 Thực trạng kết nối liệu di động Việt Nam 13 1.7 Kết luận chương 13 CHƯƠNG II MỘT SỐ LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA ĂNG TEN 15 2.1 Các tham số đánh giá ăng ten 16 2.1.1 Trở kháng vào .16 2.1.2 Phối hợp trở kháng 17 2.1.3 Hiệu xuất xạ .19 2.1.4 Đồ thị xạ 19 2.1.5 Độ rộng búp sóng 21 2.1.6 Hệ số tính hướng 22 2.1.7 Hệ số tăng ích 23 2.1.8 Băng thông .24 2.2 Phân cực .25 2.3 Lý thuyết mảng .26 2.3.1 Mảng hai phần tử 28 2.3.2 Mảng đồng N phần tử .30 2.4 Tiếp điện vi sai .31 2.5 Lý thuyết ăng ten vi dải 32 2.5.1 Ưu điểm nhược điểm 33 2.5.2 Kỹ thuật tiếp điện 34 2.5.3 Một số tính chất 37 2.5.4 Một số ứng dụng 39 Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B vii Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục 2.6 Kết luận chương 40 CHƯƠNG III THIẾT KẾ ĂNG TEN PHÂN CỰC KÉP HAI BĂNG TẦN CHO TRẠM GỐC 5G 41 3.1 giới thiệu .41 3.2 Thiết kế ăng ten đơn phân cực kép .42 3.2.1 Các yêu cầu kỹ thuật đặt 42 3.2.2 Cấu tạo ăng ten .42 3.2.3 Thiết điện .43 3.2.4 Kết mô đánh giá .47 3.3 Thiết kế mảng cho hệ thống ăng ten 54 3.3.1 Yêu cầu kỹ thuật với mảng ăng ten 55 3.3.2 Thiết kế mảng ăng ten 55 3.3.3 Kết mô đánh giá .56 3.4 Kết luận chương 61 TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO .62 TÀI LIỆU THAM KHẢO .63 Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B viii Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự phát triển cơng nghệ khơng dây qua thời kỳ Hình 1.2 Một số công nghệ tiềm cho 5G Hình 1.3 Phân chia loại phổ tần theo khu vực Hình 1.4 Các kỹ thuật truy nhập cho băng tần Hình 1.5 Dung lượng 5G 4G .11 Hình 1.6 Một số thống kê liệu di động Việt Nam 13 Hình 1.7 Thống kê tăng trưởng lượng kết nối di động Việt Nam 13 Hình 2.1 Q trình truyền sóng .15 Hình 2.2 Đường truyền Ăng ten Thevenin Tương đương .16 Hình 2.3 Mơ tả trở kháng vào ăng ten .16 Hình 2.4 Hệ thống gồm máy phát, mạch cao tần ăng ten 17 Hình 2.5 Tham số đánh giá phối hợp trở kháng 18 Hình 2.6 Ví dụ đồ thị xạ ăng ten 19 Hình 2.7 Các dạng biểu diễn đồ thị xạ 20 Hình 2.8 Đồ thị xạ ăng ten tần số 21 Hình 2.9 Ví dụ búp sóng 21 Hình 2.10 Tính hướng ăng ten 22 Hình 2.11 Độ rộng búp sóng đặc 23 Hình 2.12 Băng thông cho ăng ten 24 Hình 2.13 Cách xác định băng thông ăng ten 25 Hình 2.14 Một số loại phân cực 26 Hình 2.15 Một số mảng ăng ten ngồi thực tế 26 Hình 2.16 Sự giao thoa sóng phần tử mảng 28 Hình 2.17 Hai cấu trúc mảng phổ biến 28 Hình 2.18 Mảng hai phần tử định vị dọc theo trục z 29 Hình 2.19 Trường xa biểu đồ phasor mảng N phần tử nguồn đẳng hướng 30 Hình 2.20 Ví dụ thiết kế ăng ten tiếp điện vi sai .31 Hình 2.21 Sơ đồ phân bố điện trường ăng ten (trái: cạnh bên; phải: mặt dưới) 32 Hình 2.22 Cấu tạo ăng ten vi dải 32 Hình 2.23 Các hình dạng xạ 33 Hình 2.24 Ăng ten vi dải với đường tiếp điện microstrip .35 Hình 2.25 Ăng ten vi dải với nguồn tiếp điện cáp đồng trục 35 Hình 2.26 Ăng ten vi dải với kỹ thuật tiếp điên ghép nối .36 Hình 2.27 Ăng ten vi dải với kỹ thuật tiếp điện ghép nối điện từ 37 Hình 2.28 Băng tần hoạt động ăng ten vi dải 38 Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B ix Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ Hình 2.29 Đồ thị xạ ăng ten vi dải hai mặt phẳng khác 39 Hình 2.30 Thử nghiệm mảng ăng ten vi dải cho việc thu phát .40 Hình 2.31 Mảng ăng ten vi dải cho hoạt động vũ trụ 40 Hình 3.1 cấu tạo ăng ten phân cực kép với khe khắc xạ 43 Hình 3.2 Cấu trình ăng ten nhìn từ mặt bên (bên trái) cao (bên phải) 43 Hình 3.3 Bộ tiếp điện vi sai 44 Hình 3.4 Bộ tiếp điện vi sai tích hợp lọc thơng dải .45 Hình 3.5 Mạng tương đương đường truyền 46 Hình 3.6 Phân phối dòng điện tần số .47 Hình 3.7 Realized gain (hệ số tăng ích thực sự) ăng ten khoét khe 48 Hình 3.8 Tham số S11 acvtive với ăng ten khoét khe 49 Hình 3.9 Ăng ten phân cực kép với xạ vuông thông thường 49 Hình 3.10 Tham số S11 active realized gain với ăng ten sử dụng xạ vuông thông thường 50 Hình 3.11 Phân bố dòng điện tần số 2.6 GHz, 3.4 GHz, 3.7GHz 51 Hình 3.12 Ăng ten cải tiến .52 Hình 3.13 Tham số S11 active ăng ten cải tiến 52 Hình 3.14 Sơ đồ minh họa cho cơng thức tính cơng xuất xạ 53 Hình 3.15 Hiệu xuất xạ ăng ten cải tiến 53 Hình 3.16 Đồ thị xạ ăng ten đơn cải tiến 54 Hình 3.17 Cấu hình mảng ăng ten 55 Hình 3.18 Tham số S11 active mảng ăng ten 56 Hình 3.19 Tham số cách ly cổng phần tử ăng ten 57 Hình 3.20 Hệ số cách ly ghép nối mảng 57 Hình 3.21 Hiệu xuất xạ mảng ăng ten 58 Hình 3.22 Hệ số tăng ích (Realized gain) phần tử ăng ten đơn cải tiến 59 Hình 3.23 Hệ số tăng ích (Realized gain) mảng ăng ten 59 Hình 3.24 Đồ thị xạ mảng ăng ten 60 Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B x Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III Thiết kế ăng ten phân cực kép hai băng tần cho trạm gốc 5G nhiều đến tần số cộng hưởng 3.6 GHz Nói cách rõ ràng giải thích dễ hiểu sau, dễ dàng nhận thấy chưa thực việc khoét khe cạnh xạ, ăng ten có dịng điện chạy dọc theo cạnh xạ tạo cộng hưởng 2.6 GHz hình 3.11 bên trái Tuy nhiên với việc khoét thêm bốn khe cạnh xạ ta nhận thấy có thay đổi phân phối dòng điện xạ Đầu tiên phân bố dòng điện dọc theo xạ giữ nguyên để tạo cộng hưởng 2.6 GHz, bên cạnh phân bố dịng điện khác hình thành dọc theo hai khe khoét tương ứng với cổng tiếp điện Do với độ dài điện ngắn (đường dịng điện ngắn hơn) tạo thêm cộng hưởng tần số cao lúc đầu 3.6 GHz Hình 3.11 Phân bố dịng điện tần số 2.6 GHz, 3.4 GHz, 3.7GHz Việc đánh giá kết S11 active thu phía giúp đưa kết luận cộng hưởng tần số 3.6 GHz hệ thống ăng ten chưa thực tốt cộng hưởng tần số 2.6 GHz Vì để cải thiện tần số cộng hưởng hay nói cách khác giúp băng thông hoạt động tần số hoạt động tốt em có đưa phương pháp để giải vấn đề Trong đồ án em có sử dụng kỹ thuật có tên xạ thứ cấp, chứng minh việc khoét khe xạ tác động nhiều gần tập trung dải tần số cao 3.6 GHz Do em thực khoét thêm hai khe cạnh xạ thành phần xạ thứ cấp Để giải thích cách đơn giản xạ thứ cấp hiểu thành phần xạ tạo tần số cộng hưởng 𝑓 chúng tạo thêm thành phần có cấu trúc gần tương tự đặt gần đó, hiểu xạ thứ cấp thu cộng hưởng tần số 𝑓 + ∆𝑓 Vì cấu hình ăng ten đề xuất đưa hình 3.12 với việc khoét thêm hai khe cạnh xạ Chiều dài khe thứ biểu diễn tham số Ls1 = 17 mm chiều dài khe thứ hai biểu diễn tham số Ls2 = 27 mm Cả hai khe có chiều rộng mm khoảng cách khe 0.1 mm Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 51 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III Thiết kế ăng ten phân cực kép hai băng tần cho trạm gốc 5G Hình 3.12 Ăng ten cải tiến Với thiết kế cải tiến hình 3.12 thu kết vô khả quan với tần số cộng hưởng 3.6 GHz cải thiện cách đáng kể Hơn việc khoét thêm khe gần không tác động nhiều dẫn đến thay đổi tần số cổng hưởng 2.6 GHz mà đảm bảo băng tần Có thể thấy thấy bước tiến vơ quan trọng giúp mở rộng dải tần hoạt động ăng ten tần số mong muốn Bên cạnh cách ly cổng đạt < -20 dB (vì tính đối xứng nên tham số S22 tương tự S11 S21 tương tự S12, đồ án đưa tham số S11 S12) Kết thể rõ hình 3.13 Hình 3.13 Tham số S11 active ăng ten cải tiến Tiếp theo hiệu xuất xạ ăng ten đề cập để xác định phần trăm lượng qua ăng ten xạ ngồi khơng gian tự Nếu tính cơng xuất xạ ngồi ta có cơng thức: 𝑃𝑟𝑎𝑑 = 𝑒𝑐𝑑 × 𝑃𝑖𝑛 = 𝑒𝑐𝑑 × 𝑒𝑟 × 𝑃0 Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 52 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III Thiết kế ăng ten phân cực kép hai băng tần cho trạm gốc 5G Nếu xét từ 𝑃0 (công xuất máy phát) vào thấy ăng ten chịu tổn hao Thứ tổn hao không phối hợp trở kháng hay phối hợp trở kháng (𝑒𝑟 ) thứ hai tổn hao vật liệu ăng ten tạo thể tham số 𝑒𝑐𝑑 (hiệu xuất xạ) Hình 3.14 Sơ đồ minh họa cho cơng thức tính cơng xuất xạ Hiệu xuất xạ ăng ten đồ án đưa đạt tỉ lệ phần trăm xạ tương đối cao hai tần số cộng hưởng 94% tần số 2.6 GHz 70% tần số 3.6 GHz Bên cạnh từ kết hình 3.15 bên dễ dàng nhận thấy hai dải tần nằm tần số hoạt động ăng ten, lọc làm việc tốt Tại hai vùng dải tần bên hiệu xuất xạ vô thấp không vượt 20% Cuối tần số 3.4 GHz giải thích phía lợi ích việc khoét khe xạ, hiệu xuất ăng ten không vượt 40% đảm bảo cách ly hai băng tần hoạt động hệ thống Hình 3.15 Hiệu xuất xạ ăng ten cải tiến Đồ thị xạ ăng ten đơn đưa hình 3.16 giúp ta có mơt vài tham số giúp xác định đặc tính xạ ăng ten Kết hình cho ta thấy chùm tia mẫu xạ hướng rộng mà không bị Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 53 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III Thiết kế ăng ten phân cực kép hai băng tần cho trạm gốc 5G tách nghiêng khơng mong muốn Cũng thấy độ phân cực chéo đo mức mặt phẳng V mặt phẳng H thấp khoảng 20 dB so với mức đồng cực toàn dải tần (lưu ý mặt phẳng V xét mặt y0z mặt phẳng H xét x0z hệ tọa độ descartes) Cùng với độ độ rộng bước sóng nửa cơng xuất đạt xấp xỉ 50° mặt phẳng H 68° mặt phẳng V tần số 2.6 GHz Còn với tần số 3.6 GHz độ rộng bước sóng nửa cơng xuất đạt xấp xỉ 37° mặt phẳng H 70° mặt phẳng V Hình 3.16 Đồ thị xạ ăng ten đơn cải tiến 3.3 Thiết kế mảng cho hệ thống ăng ten Thiết kế mảng ăng ten hay gọi tắt ăng ten mảng tập hợp gồm nhiều ăng ten đơn kết liên kết với nhau, hoạt động phần tử ăng ten để truyền nhận sóng vơ tuyến hệ thống truyền thông tin không dây Các phần tử ăng ten đơn riêng lẻ thường kết nối thiết kế vào máy thu máy phát với đường tiếp điện cho phần tử quy định pha cụ thể Một mảng ăng ten hoạt động phần tử ăng ten thường có hệ số tăng ích cao so với Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 54 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III Thiết kế ăng ten phân cực kép hai băng tần cho trạm gốc 5G phần tử ăng ten riêng lẻ Bên cạnh tính chất vơ quan trọng việc tạo mảng ăng ten khả định hướng tốt Như biết ngày với tăng vọt thiết bị di động với lưu lượng liệu tăng cách chóng mặt khơng thể phủ nhận sóng 3G, 4G ngày yếu Do lợi ích việc định hướng tốt mảng ăng ten giúp điều chỉnh búp sóng đến nơi cần sử dụng sóng di động chia theo vai trị quan trọng khác thay phân bố tất phía gây tiêu tốn lượng Một lưu ý cho mảng ăng ten số lượng phần tử ăng ten riêng lẻ sử dụng lớn độ lợi cao chùm tia hẹp Ví dụ số mảng ăng ten chẳng hạn radar mảng pha quân bao gồm hàng nghìn ăng ten riêng lẻ 3.3.1 Yêu cầu kỹ thuật với mảng ăng ten Các yêu cầu mảng ăng ten phân cực kép đưa đây: • Băng thơng hoạt động (S11 > -10dB): 2.52 GHz - 2.66 GHz 3.56 – 3.64 GHz với tần số trung tâm 2,8 GHz • Độ lợi thực tế đạt: 15.8 dBi dải 14.3 dBi dải • Sự cách ly cổng: < -18dB • Độ rộng búp sóng công xuất mặt phẳng V: xấp xỉ 13° tần số 2.6 GHz xấp xỉ 10° tần số 3.6 GHz • Độ rộng búp sóng nửa cơng xuất mặt phẳng H: xấp xỉ 52° tần số 2.6 GHz xấp xỉ 38° tần số 3.6 GHz • Phân cực chép thấp 3.3.2 Thiết kế mảng ăng ten Hình 3.17 Cấu hình mảng ăng ten Như nêu phần giới thiệu ăng ten mảng thường có lợi chùm búp sóng hẹp đem lại tính hướng tốt cho khu vực ưu tiên, thường có Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 55 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III Thiết kế ăng ten phân cực kép hai băng tần cho trạm gốc 5G hệ số tăng ích tốt Dựa ăng ten đơn thiết kế hình 3.12 mảng ăng ten phân cực kép thiết kế với cấu trúc tiếp điện gồm 16 cổng 50 Ω tiếp điện vi sai lệch pha 180 độ trình bày ăng ten đơn đưa Hình dạng thiết kế ăng ten mơ đưa hình 3.17, bên cạnh khoảng cách phần tử ăng ten bao gồm lớp điện môi mặt đất (ground) đặt sát Trong đồ án để đạt độ rộng chùm sóng hẹp độ tăng ích lớn mặt phẳng nằm ngang, ăng ten phân cực kép gồm phần tử thiết kế Hình 3.17 cho thấy nhìn tổng quát thiết kế mảng với khoảng cách hai tâm phần tử ăng ten đơn 120 mm tương đương sấp xỉ λ0 (biết λ0 bước sống không gian tự tần số trung tâm 2.8 GHz) Do kích thước tổng thể mảng ăng ten 480 mm x 120 mm x 11.3 mm (tương đương với 4.4 λ0 x 1.1 λ0 x 0.10 λ0) Thiết kế có tất 16 cổng tiếp điện đánh số theo quy tắc, cổng tiếp điện với phân cực 0° gồm: cổng 1, cổng 5, cổng 9, cổng 13 cổng 3, cổng 7, cổng 11, cổng 15 Các cổng tiếp điện với phân cực 180° gồm: cổng 2, cổng 6, cổng 10, cổng 14, cổng 4, cổng 8, cổng 12, cổng 16 3.3.3 Kết mô đánh giá Dựa vào thơng số hình 3.18 hình 3.19 thấy mảng ăng ten phân cực kép đạt băng thông với cổng tiếp điện vi sai tương đồng so với phần tử ăng ten đơn Sự cách ly cổng toàn băng tần hoạt động mong muốn ln nhỏ -18 dB Hình 3.18 Tham số S11 active mảng ăng ten Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 56 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III Thiết kế ăng ten phân cực kép hai băng tần cho trạm gốc 5G Hình 3.19 Tham số cách ly cổng phần tử ăng ten Dựa vào đánh giá dễ dàng kết luận tham số S11 active tham số thể cho cách ly cổng gần tương tự với phần tử ăng ten riêng lẻ Cụ thể băng thông hoạt động đạt hệ số phản xạ < -10dB thu hai băng 2.52 GHz - 2.64 GHz 3.56 GHz – 3.64 GHz, cách ly đảm bảo < -18 dB phần tử đơn Cùng với tác động lẫn phần tử mảng < -35dB thể hình 3.20 Hình 3.20 Hệ số cách ly ghép nối mảng Tóm lại tham số S mảng tính tốn cho hình 3.18 với khoảng cách từ tâm ăng ten đến tâm ăng ten liền kề trung bình λ0 2,8 GHz đảm bảo tần số hoạt động hai băng tần tương tự phần tử ăng ten đơn đề xuất Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 57 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III Thiết kế ăng ten phân cực kép hai băng tần cho trạm gốc 5G Bên cạnh cách ly phân cực phần tử ăng ten Hình 3.19 thu < -18 dB đảm bảo kết tốt phần tử đơn lẻ đảm bảo yếu tố cách ly mong muốn Tiếp theo để xác định số lượng phần tử mảng mối liên hệ hệ số tăng ích mảng với hệ số tăng ích phần tử riêng lẻ sử dụng công thức sau: 𝐺𝑎𝑟𝑟𝑎𝑦 = 𝐺𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 + 10𝑙𝑜𝑔𝑁 Với 𝐺𝑎𝑟𝑟𝑎𝑦 : Hệ số tăng ích mảng 𝐺𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 : Hệ số tăng ích phần tử ăng ten 𝑁: Số lượng phần tử ăng ten Sau xác định số lượng phần tử thông qua mối liên hệ hệ số tăng ích, q trình thiết lập thông số mô diễn tương tự phần tử đơn lẻ Nhưng có hai điều quan trọng tổng hợp mảng phân bố biên độ khoảng cách bị thu hẹp nhiên hệ số khếch đại tăng lên Hiệu xuất xạ tham số vô quan trọng để đánh giá thành công ăng ten việc thu nhận tín hiệu RF khơng gian tự do, định nghĩa tỷ số tổng công suất xạ ăng ten với tổng công suất đầu vào nhận từ máy phát Một ăng ten có hiệu suất xạ cao xạ hiệu công suất đầu vào không gian tự từ giúp q trình truyền thơng tin hay lượng điện tử diễn tốt Trong thiết kế hiệu xuất xạ đạt 98% với 70% hai tần số hoạt động 2.6 GHz 3.6 GHz, kết tương đối khả quan việc đánh giá hiệu xuất ăng ten Hình 3.21 Hiệu xuất xạ mảng ăng ten Hệ số tăng ích thực đưa cho ăng ten mảng phần tử ăng ten đơn lẻ hình 3.22 3.23 Có thể thấy tương đồng với cơng Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 58 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III Thiết kế ăng ten phân cực kép hai băng tần cho trạm gốc 5G thức tính hệ số tăng ích nêu Nếu xét hệ số tăng ích ăng ten đơn cải tiến, thu thiết kế ban đầu khoảng dBi dải tần số hoạt động 7.5 dBi dải tần số hoạt động Còn mảng ăng ten thiết kế từ bốn phần tử ăng ten riêng lẻ nêu phần cấu tạo bên thu hệ số tăng ích thực (realized gain) tốt với hai kết thu sấp xỉ 15.8 dBi dải tần số 14.3 dBi dải tần số Cả hai kết hệ số tăng ích ăng ten đơn mảng ăng ten thu kết tương đối tốt theo đánh giá sơ Hình 3.22 Hệ số tăng ích (Realized gain) phần tử ăng ten đơn cải tiến Hình 3.23 Hệ số tăng ích (Realized gain) mảng ăng ten Cuối đồ án này, em đưa đồ thị xạ mảng ăng ten hai tần số hoạt động mảng 2.6 GHz 3.6 GHz Khi quan sát đồ thị xạ ta xác định mơt vài tham số giúp xác định đặc tính xạ ăng ten Rõ ràng với kết hình 3.24 ta thấy chùm tia mẫu xạ ln Nguyễn Khắc Tồn – D17CQVT02-B 59 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III Thiết kế ăng ten phân cực kép hai băng tần cho trạm gốc 5G hướng rộng mà không bị tách nghiêng khơng mong muốn Cũng thấy độ phân cực chéo đo mức mặt phẳng V mặt phẳng H thấp khoảng 20dB so với mức đồng cực toàn dải tần (lưu ý mặt phẳng V xét mặt y0z mặt phẳng H xét x0z hệ tọa độ descartes) Một tham số nêu độ rộng búp sóng 3dB tương ứng với hai dải tần hoạt động 2.6 GHz 3.6 GHz Như học môn truyền sóng ăng ten độ rộng búp sóng nửa công xuất viết tắt HPBW (half power beamwidth) tính góc chuyển hóa băng lượng búp sóng cịn nửa góc tạo hai điểm công xuất giảm nửa đọc gọi độ rộng búp sóng nửa cơng xuất Với lý thuyết đồ án độ rộng búp sóng nửa cơng xuất mảng ăng ten thiết kế đạt sấp xỉ 52° mặt phẳng H 13° mặt phẳng V tần số 2.6 GHz Còn tần số 3.6 GHz độ rộng búp sóng nửa cơng xuất đạt 38° mặt phẳng H 10° mặt phẳng V Nếu so sánh với đồ thị xạ ăng ten đơn phía bên ta thấy mặt phẳng V đồ thị xạ ăng ten ghép mảng có tính hướng tốt từ giúp tiết kiệm lượng Hình 3.24 Đồ thị xạ mảng ăng ten Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 60 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III Thiết kế ăng ten phân cực kép hai băng tần cho trạm gốc 5G 3.4 Kết luận chương Các thiết kế kết trình bày Chương III phần tử ăng ten đơn ăng ten mảng cho thấy tiêu chí yêu cầu kỹ thuật đặt cho ăng ten phân cực kép áp dụng cho trạm gốc 5G đầu chương thỏa mãn Bên cạnh thấy lợi ích ăng ten thiết kế đồ án trạm gốc Điều chứng tỏ khả ứng dụng ăng ten đề xuất thực tế hoàn toàn khả thi tương lai gần Và hi vọng sớm kiểm nghiệm thực tế triển khai mạng lưới truyền thông tin thời gian sớm Việt Nam Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 61 Đồ án tốt nghiệp Đại học Tổng kết TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO Báo cáo tốt nghiệp tập trung nghiên cứu ăng ten ứng dụng cho trạm gốc bao phủ băng rộng Sau thời gian dày công nghiên cứu với chủ đề “Thiết kế Ăng ten phân cực kép cho Trạm gốc 5G” em thu nhiều điều kiến thức cách thực nghiên cứu, xem xét báo khoa học thiết kế ăng ten đáp ứng cho ứng dụng trạm gốc Với tốc độ phát triển nhanh chóng thơng tin liên lạc không dây, yêu cầu cho ăng ten trạm gốc có nhu cầu cao Nó khơng bao gồm băng tần 2,6GHz sử dụng cho 5G mà phải thỏa mãn đặc điểm thiết yếu khác mẫu xạ ổn định, mức độ cách ly cao từ cổng đến cổng Ngay em có vài tháng để làm nghiên cứu kết không thỏa mãn tất yêu cầu đặc điểm kỹ thuật, Đề tài luận văn truyền cảm hứng nhiều động lực để em hoàn thiện vấn đề tương lai Với hướng nghiên cứu đồ án em mong muốn tiếp tực mở rộng băng tần hoạt động ăng ten đồng thời thực đo đạc kiểm nghiệm thực tế để so sánh với nghiên cứu giúp có nhìn tổng quan xác Trong làm đồ án em giúp đỡ nhiều bạn bè thầy cô không kiến thức thiết kế ăng ten mà kỹ đọc hiểu tài liệu tiếng anh chuyên nghành, kỹ thuyết trình… Em muốn gửi lời cảm ơn đến thầy giáo tiến sỹ Nguyễn Việt Hưng hướng dẫn tuyệt vời trình nghiên cứu thiết kế ăng ten đồ án Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 62 Đồ án tốt nghiệp Đại học Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2017–2022 [2] J.G Andrews et al, “What Will 5G Be?”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 32, no 6, pp 1065 – 1082, Jun 2014 [3] ——, “5G-Infrastructure Public-Private Partnership”, http://5g-ppp.eu/, 2013 [4] C.X Wang et al, “Cellular Architecture and Key Technologies for 5G Wireless Communication Networks” IEEE Communications Magazine, vol 52, no 2, pp 97 – 105, Feb 2014 [5] G Wunder et al, “5GNOW: non-orthogonal, asynchronous waveforms for future mobile applications” IEEE Communications Magazine, vol 52, no 2, pp 97– 105, Feb 2014 [6] ——, “System-Level Interfaces and Performance Evaluation Methodology for 5G Physical Layer Based on Non-orthogonal Waveforms” in Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, Nov 2013, pp 1659 – 1663 [7] Z Pi and F Khan, “An introduction to millimeter-wave mobile broadband systems” IEEE Communications Magazine, vol 49, no 6, pp 101 – 107, Jun 2011 [8] F Rusek et al, “Scaling up MIMO: Opportunities and challenges with very large arrays” IEEE Signal Processing Magazine, vol 30, no 1, pp 40 – 60, Jan 2013 [9] G.P Fettweis and S Alamouti, “5G: Personal mobile internet beyond what cellular did to telephony” IEEE Communications Magazine, vol 52, no 2, pp 140 – 145, Feb 2014 [10] P Rost et al, “Cloud technologies for flexible 5G radio access networks” IEEE Communications Magazine, vol 52, no 5, pp 68–76, May 2014 [11] B.Bangerter et al, “Networks and Devices for the 5G Era” IEEE Communications Magazine, vol 52, no 2, pp 90 – 96, Feb 2014 [12] F Paisana and N Marchetti and L DaSilva, “Radar, TV and Cellular Bands: Which Spectrum Access Techniques for Which Bands?” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol 16, no 3, pp 1193 – 1120, Jul 2014 [13] Guntis Ancansa, Vjaceslavs Bobrovsa, Arnis Ancansb, Diana Kalibatienec ‘’Spectrum Considerations for 5G Mobile Communication Systems’’, August 2018 [14] Balanis, C A (2016) Antenna theory: analysis and design John wiley & sons [15] X L Jiang, Z J Zhang, Z J T, Y Li, and Z H Feng, “A lowcost dual- polarized array antenna etched on a single substrate” IEEE Antennas Wireless Propag Lett, vol 12, pp 265–268, 2013 [16] Balanis, C A (2010) Ăng tenna theory: analysis and design John wiley & sons [17] Grzegorz Adamiuk, Werner Wiesbeck and Thomas Zwick “Differential feeding as a concept for the realization of broadband dualpolarized antenna with very high polarization purity”, July 2009 Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 63 Đồ án tốt nghiệp Đại học Tài liệu tham khảo [18] Huang, X Li, and Y Liu, “A Low Profile, Dual-polarized Patch Ăng tenna for 5G MIMO Application” IEEE Trans Antenna and Propag, vol 67, no 2, pp 1275-1279, Feb 2019 [19] Z Y Tang, J H Liu, R N Lian, et al, “Wideband Differentially Fed DualPolarized Planar Antenna and Its Array with High Common-Mode Suppression” IEEE Trans Antenna and Propag., vol 67, no 1, pp 131- 139, Jan 2019 [20] Q X Chu, D L Wen, and Y Luo, “A Broadband ±45° Dual-Polarized Antenna With Y-Shaped Feeding Lines” IEEE Trans Ăng tennas and Propag., vol 63, no 2, pp 483-490, Feb 2015 [21] B Q Wu, and K M Luk, “A Broadband Dual-Polarized Magneto-Electric Dipole Antenna With Simple Feeds” IEEE Antennas Wireless Propag Lett., vol 8, pp 60–63, 2009 [22] J J Xie, X S Ren, Y Z Yin, and J Ren, “Dual-polarised patch ăng tenna with wide bandwidth using electromagnetic feeds” Electron Lett., vol 48, no 22, pp 1385– 1386, Oct 2012 [23] T W Chiou and K L Wong, “Broad-band dual-polarized single microstrip patch Antenna with high isolation and low cross polarization” IEEE Trans Antennas Propag., vol 57, no 10, pp 3405–3409, Oct 2009 [24] K S Ryn and A A Kishk, “Wideband dual-polarized microstrip patch excited by hook shaped probe” IEEE Trans Antennas Propag., vol 56, no 12, pp 3645– 3649, Dec 2008 [25] H W Lai and K M Luk, “Dual polarized patch antenna fed by meandering probes,” IEEE Trans Ăng tennas Propag., vol 55, no 9, pp 2625–2627, Sep 2007 [26] Y Zhang, X Y Zhang, L Ye and Y Pan, “Dual-Band Base Station Array Using Filtering Ăng tenna Elements for Mutual Coupling Suppression” IEEE Trans Antennas and Propag, vol 64, no 8, pp 3423-3430, Aug 2016 [27] J Qian, F Chen, Q Chu, Q Xue and M J Lancaster, “A Novel Electric and Magnetic Gap-Coupled Broadband Patch Antenna With Improved Selectivity and Its Application in MIMO System” IEEE Trans Antennas and Propag, vol 66, no 10, pp 5625-5629, Oct 2018 [28] C F Ding, X Y Zhang, Y Zhang, Y M Pan and Q Xue, “Compact Broadband Dual-Polarized Filtering Dipole Antenna With High Selectivity for Base-Station Applications” IEEE Trans Antennas and Propag, vol 66, no 11, pp 5747-5756, Nov 2018 [29] W Duan, X Y Zhang, Y Pan, J Xu and Q Xue, “Dual-Polarized Filtering Antenna With High Selectivity and Low Cross Polarization” IEEE Trans Antennas and Propag, vol 64, no 10, pp 4188-4196, Oct 2016 [30] Yapeng Li, Zhipeng Zhao, Zhaoyang Tang, and Yingzeng Yin, “DifferentiallyFed, Dual-Band Dual-Polarized Filtering Antenna with High Selectivity for 5G Sub-6 GHz Base Station Applications” IEEE Trans Antennas and Propag, Vol 68, April 2020 Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B 64 Đồ án tốt nghiệp Đại học Nguyễn Khắc Toàn – D17CQVT02-B Tài liệu tham khảo 65 ... Đồ án: ? ?Phân tích thiết kế ăng-ten, tiếp điện vi sai, phân cực kép, hai băng tần cho trạm thu phát di động 5g? ?? tìm hiểu ngun lý phân tích thiết kế anten, ứng dụng vi? ??c thiết kế anten cho hệ trạm. ..HỌC VI? ??N CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VI? ??N THƠNG KHOA VI? ??N THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ĂNG-TEN, TIẾP ĐIỆN VI SAI, PHÂN CỰC KÉP, HAI BĂNG TẦN CHO TRẠM THU PHÁT DI ĐỘNG 5G. .. quy 1/ Tên đồ án tốt nghiệp Phân tích thiết kế ăng-ten tiếp điện vi sai, phân cực kép, hai băng tần cho trạm thu phát di động 5G 2/ Lý chọn đề tài Ngày nay, xu sử dụng thiết bị di động không