THIẾT kế ANTEN VI dải và ANTEN MIMO – ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ LTE ADVANCED

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀNG KHÔNG TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI VÀ ANTEN MIMO – ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ LTE ADVANCED GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: THS HỒ HUỲNH PHONG SINH VIÊN: PHẠM BÁ THIÊN PHÚ MÃ SỐ SINH VIÊN: 1753020073 LỚP: 17ĐHĐT02 TP Hồ Chí Minh – 06/2021 HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀNG KHƠNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 05 năm 2021 NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN: PHẠM BÁ THIÊN PHÚ LỚP: 17ĐHĐT02 NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG MSSV: 1753020073 Tên đề tài tiểu luận tốt nghiệp: Thiết kế Anten vi dải Anten MIMO – Ứng dụng công nghệ LTE Advanced Nhiệm vụ tiểu luận tốt nghiệp:  Khi kết hợp cấu trúc DGS kép, với kết cấu có sẵn từ thiết kế quen thuộc anten vi dải, đề xuất áp dụng cho hình dáng DGS dải tần hoạt động khác với ứng dụng khác Bên cạnh tìm cách làm giảm kích thước anten  Đưa cấu trúc DGS kép hình chữ nhật để nhằm cải thiện đồng thời đặc tính anten vi dải Đồng thời, chứng minh đề xuất mô thực nghiệm để tạo thành Anten vi dải 3.5 GHz Anten MIMO 3.5 GHz dùng để ứng dụng cho công nghệ LTE Advanced công nghệ sử dụng rộng rãi cho thiết bị di động đầu cuối Ngày giao tiểu luận tốt nghiệp: 22/03/2021 Ngày nộp tiểu luận tốt nghiệp: 30/05/2021 Họ tên cán hướng dẫn: Thạc sĩ Hồ Huỳnh Phong TRƯỞNG KHOA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Trong thời gian tìm hiểu hồn thành Tiểu luận tốt nghiệp: “Thiết kế Anten vi dải Anten MIMO – Ứng dụng công nghệ LTE Advanced” xin chân thành gửi đến lời cảm ơn đặc biệt giúp đỡ nhiệt tình Nguyễn Thị Linh Phương, cô cung cấp nhiều thông tin quý giá tạo điều kiện giúp đỡ nhiều trình thực Tiểu luận tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới người bạn thân tôi, người ln bên cạnh tơi, tận tình tìm hiểu hướng dẫn, giúp đỡ bảo cho nghiên cứu hoàn thành đề tài cách trọn vẹn Mặc dù thân cố gắng kiến thức kinh nghiệm hạn chế, nên báo cáo tơi cịn có nhiều thiếu sót việc trình bày, đánh giá đề xuất ý kiến Tôi mong nhận thông cảm đóng góp ý kiến, lời nhận xét thầy bạn Trân trọng cảm ơn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Tiểu luận tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thân, đúc kết từ trình học tập nghiên cứu thực tiễn thời gian qua Các thông tin số liệu sử dụng Tiểu luận tốt nghiệp hồn tồn trung thực TP Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 05 năm 2021 Người cam đoan (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… TP Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 05 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… TP Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 05 năm 2021 Giáo viên phản biện (Ký ghi rõ họ tên) Mục lục LỜI NÓI ĐẦU .1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Lý chọn đề tài: .2 1.2 Mục tiêu nghiên cứu: 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 1.4 Phương pháp nghiên cứu: 1.5 Kết cấu đề tài: CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI (MICROSTRIP ANTENNA) 2.1 Giới thiệu Anten vi dải (Microstrip Antenna): 2.2 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải: 2.2.1 Tiếp điện dùng đường truyền vi dải (Microstrip line feed): 2.2.2 Tiếp điện dùng cáp đồng trục (Probe feed): .8 2.2.3 Tiếp điện phương pháp ghép khe hay ghép nối độ (Aperture Coupled feed): .9 2.2.4 Tiếp điện phương pháp ghép gần hay ghép nối tiệm cận (Proximity Coupled feed): 2.3 Mơ hình đường truyền vi dải: 10 2.3.1 Hiệu ứng viền: 10 2.3.2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng chiều rộng hiệu dụng: 13 2.3.3 Điện dẫn: 14 2.3.4 Trở kháng vào tần số cộng hưởng: 15 2.3.5 Kỹ thuật đối sánh: 17 2.4 Mơ hình sử dụng cáp đồng trục: 19 2.4.1 Cấu hình trường (chế độ) - TMx : .22 2.4.2 Mật độ dòng điện tương đương: .26 2.4.3 Trường xạ - Chế độ TM 010 x : 30 2.5 Tính định hướng: 33 2.5.1 Khe đơn (k h ≪ 1): 33 2.5.2 Khe đôi (k h ≪ 1): 34 2.6 Các thông số quan trọng khác: 37 2.6.1 Yếu tố chất lượng: 37 2.6.2 Dải thông: 38 2.6.3 Hiệu suất: 39 2.7 Kết luận chương 2: 40 CHƯƠNG III: CÁC KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU 41 3.1 Anten thiết bị di động: 41 3.1.1 Thiết bị di động đầu cuối: 41 3.1.2 Sự phát triển: 44 3.2 Kỹ thuật đa anten: 45 3.3 Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (Defected Ground Structure – DGS): 47 3.3.1 Mô tả tổng quan: 48 3.3.2 Định nghĩa đặc điểm: 49 3.3.3 Phân tích cấu trúc DGS: 53 3.4 Kết luận chương 3: 62 CHƯƠNG IV:THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI 3.5 GHZ (CHƯA ĐƯỢC TỐI ƯU) 63 4.1 Thiết kế: 63 4.2 Mô phỏng: 65 4.3 Kết luận chương 4: 73 CHƯƠNG V: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN VI DẢI 3.5 GHZ (ĐÃ ĐƯỢC TỐI ƯU) 74 5.1 Thiết kế: 74 5.2 Mô phỏng: 77 5.3 Kết thực nghiệm: .84 5.4 Kết luận chương 5: 85 CHƯƠNG VI:THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MIMO 3.5 GHZ 86 6.1 Thiết kế: 86 6.2 Mô phỏng: 86 6.3 Kết thực nghiệm: .94 6.4 Kết luận chương 6: 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, đời sống chúng ta, hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt hệ thống thông tin di động phát triển mạnh mẽ Q trình truyền sóng anten phần kiến thức thiếu nghiên cứu hệ thống Là sinh viên đại học chuyên ngành điện tử viễn thông, cần phải trau dồi thật nhiều kỹ kiến thức chuyên sâu chuyên ngành học Bên cạnh đó, tơi muốn nâng cao khả cách mở rộng kiến thức khơng ngành điện tử tơi học mà cịn muốn mở rộng thêm kiến thức chuyên ngành Viễn thông Chính vậy, tơi tìm hiểu nghiên cứu thiết bị ứng dụng ngành thông tin viễn thơng, để từ tạo nên đề tài “Thiết kế Anten vi dải Anten MIMO – Ứng dụng công nghệ LTE Advanced” Tôi nghĩ đề tài thú vị đầy tính ứng dụng thực tiễn sống phổ biến ngành thông tin viễn thông Không vậy, việc đề xuất ý tưởng cấu trúc đặc biệt DGS kép với kích thước anten nhỏ nghiên cứu phổ biến Bây giờ, tơi tìm hiểu sâu đề tài Hình 5.15: Mật độ cơng suất suy hao mặt phẳng xạ Hình 5.16: Phân bố trường xa 3D 83 Hình 5.17: Phân bố trường xa 2D mặt phẳng yz  Nhận xét: Giá trị Giá trị (Anten chưa tối ưu) (Anten tối ưu) S11 (dB) -13.352259 -53.310874 Dải thông (MHz) 102.49 205.63 -3.7222107 -1.8947654 -3.9278729 -1.8947857 1.5476881 1.0043294 Các tham số Hiệu suất xạ (dB) Tổng hiệu suất (dB) Hệ số sóng đứng VSWR 84 So sánh Giảm đến 79.971% Tăng đến 200.634% Tăng đến 33.733% Tăng đến 33.11% Giảm đến 39.354% Hệ số tăng ích (dBi) Hướng thùy (Deg) (Mp yz) Độ rộng búp sóng (Deg) (Mp yz) 2.747 2.214 3.0 5.0 92.6 81.3 25.84×19.96 16.44×12.41 40.55×34.68 32.16×26.96 Diện tích mặt phẳng xạ ( mm ) Diện tích toàn anten (mm2 ) 5.3 Giảm đến 44.628% Tăng đến 62.5% Giảm đến 46.751% Giảm đến 28.345% Giảm đến 38.14% Bảng 5.2: Bảng so sánh tham số anten vi dải 3.5 GHz (Chưa tối ưu tối ưu) Kết thực nghiệm: Hình 5.18: Kết thi công Anten 3.5 GHz (Đã tối ưu) 85 Kết mơ Kết đo đạt Hình 5.19: Kết đo đạt Anten 3.5 GHz (Đã tối ưu) 5.4 Kết luận chương: Dựa vào kết đo được, ta thấy tham số sau mô cải thiện cách rõ rệt, có nhiều tham số cải thiện đến mức trọn ven S11, dải thông, hiệu suất xạ tổng hiệu suất, hệ số sóng đứng, diện tích mặt phẳng xạ diện tích tồn phần anten Bên cạnh có số thơng số bị giảm đáng kể ví dụ hệ số tăng ích độ rộng búp sóng Nhưng nhìn chung, thơng số bảo tồn tính tồn vẹn kết cấu anten dành cho thiết bị di động đầu cuối, quan trọng đề tài chứng minh hiệu ta sử dụng cấu trúc DGS dành cho anten có kích thước nhỏ 86 CHƯƠNG VI: 6.1 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MIMO 3.5 GHZ Thiết kế: Ta dựa vào kết vừa mô kết thu thập để cải thiện anten 3.5 GHz (Đã tối ưu) chương trước để tạo anten MIMO 3.5 GHz 2×1 Sự ảnh hưởng tương hỗ anten vi dải đặc biệt anten MIMO thể thơng qua hướng sóng bề mặt mặt phẳng xạ mặt phẳng đất anten MIMO điều tương tự kích thước mặt phẳng xạ anten Vì đặc tính xạ anten MIMO mà sóng bề mặt anten MIMO gây ảnh hưởng tương hỗ lớn hai phần tử xạ anten đặt gần Chính vậy, ngược lại với điều trên, phần tử anten đơn anten MIMO đặt xa ảnh hưởng tương hỗ giảm rõ rệt Nhưng đề tài thiết kế anten dành cho thiết bị di động nên để đảm bảo giới hạn kích thước anten MIMO khoảng cách phần tử xạ anten MIMO thường quy định ≤ 0.5 λ Tôi chọn thiết kế vật liệu FR4 với chiều dày 1,6 mm, số điện môi 4,4, hệ số tổn hao 0,02 độ dày lớp vật liệu dẫn điện (lớp mặt phẳng xạ) 0,018 mm bảo đảm phối hợp trở kháng 50 Ω” 6.2 Thôn g số Mô phỏng: Wp Lp Ls Ws Lf Wf Xf g l d s Kích thước 17.26 13.0 28.3 74.9 15.32 3.03 5.02 12.66 1.17 2.15 (mm) Bảng 6.1: Các thơng số kích thước anten MIMO ( K c =0.48 λ=41.143 mm) 87 Hình 6.1: Khoảng cách cổng cấp điện đầu vào anten MIMO Hình 6.2: Mặt phẳng đất Hình 6.3: Mặt phẳng xạ có đầu nối SMA 88 Hình 6.4: Mặt phẳng đất có đầu nối SMA Hình 6.5: Tham số S11 , S2 , S1 , S 22( dB) Hình 6.6: Tham số S11 , S2 (dB) 89 Hình 6.7: Tham số S2 , S1 (dB) Hình 6.8: Dải thơng (MHz) Hình 6.9: Hiệu suất xạ (dB) 90 Hình 6.10: Tổng hiệu suất (dB) Hình 6.11: Hệ số sóng đứng VSWR VSWR Hình 6.12: Mật độ phân bố dịng anten 91 Hình 6.13: Mật độ phân bố dịng anten Hình 6.14: Mật độ cơng suất suy hao anten mặt phẳng xạ Hình 6.15: Mật độ cơng suất suy hao anten mặt phẳng xạ 92 Hình 6.16: Phân bố trường xa 3D anten Hình 6.17: Phân bố trường xa 2D mặt phẳng yz anten  Nhận xét: Các tham số Giá trị Giá trị 93 So sánh (Anten tối ưu) (Anten MIMO) Tăng S11 , S22 (dB) -53.310874 -22.340616 đến 29.531% Dải thông (MHz) Hiệu suất xạ (dB) Tổng hiệu suất (dB) Hệ số sóng đứng VSWR Hệ số tăng ích (dBi) Giảm 205.63 181.79 46.92% Giảm -1.8947654 -2.1706577 Giảm -1.8947857 -2.2291241 đến 54.054% Tăng 1.0043294 1.1653844 đến 53.711% Tăng 2.214 2.784 đến 55.7% 5.0 5.0 yz) Độ rộng búp sóng (Deg) (Mp đến 53.393% Hướng thùy (Deg) (Mp đến Bằng Tăng 81.3 84.1 đến yz) 50.85% Diện tích mặt Tăng phẳng xạ ( 16.44×12.41 17.26×13.0 52.38% mm ) Diện tích tồn đến 32.16×26.96 anten (mm2) 74.9×28.3 Tăng đến 94 70.97% 6.3 Bảng 5.2: Bảng so sánh tham số anten vi dải 3.5 GHz (Đã tối ưu MIMO) Kết thực nghiệm: Hình 6.18: Kết thi cơng Anten MIMO 3.5 GHZ 2×1 6.4 Hình 6.19: Kết đo đạt Anten MIMO 3.5 GHz 2×1 Kết luận chương: 95 Dựa vào kết mô đo đạt, ta thấy kết mô kết thực nghiệm có kết giống Các tham số giống với anten vi dải 3.5 GHz (Đã tối ưu), anten MIMO nên có số tham số giảm đáng kể Nhưng bên cạnh đó, ta thấy anten MIMO có tham số S12 , S21 ←20(dB) kích thước anten vừa đủ với yêu cầu đặt