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 THONG 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 MSSV: 1753020073 LỚP: 17ĐHĐT02 NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG 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: c 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 c 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: TRƯỞNG KHOA (Ký ghi rõ họ tên) Thạc sĩ Hồ Huỳnh Phong CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHÍNH (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 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN VIÊN HƯỚNG DẪN Mục lục 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 phải trau sinh dồi viên thật đại nhiều học kỹ chuyên ngành điện tử kiến viễn thức thông, chuyên cần sâu ngành chuyên học Bên cạnh đó, tơi muốn nâng cao khả cách mở rộng kiến thức không ngành điện tửlà học mà muốn mở rộng thêm kiến thức chuyên ngành Viễn thơng Chính vậy, tìm hiểu nghiên cứu thiết bị ứng dụng ngành thông tin viễn để từ tạo nên đề tài “Thiết kế Anten vi dải Anten MIMO -thông, Ứ ng dụng công nghệ LTE Advanced” Tôi nghĩ đề tài thú biến vịtơi đầy tính ứng dụng thực tiễn sống phổ tưởng ngành thông tin viễn thông Không vậy, việc đề xuất ývề cấu trúc đặc biệt DGS kép với kích thước anten nhỏ đề nghiên cứu phổ biến Bây giờ, tơi tìm hiểu sâu tài PHẦN I CÁC KIẾN THỨC LIÊN QUAN CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Lý chọn đề tài: Với đề tài tự chọn thực theo yêu cầu hướng dẫn giáo viên - Đề tài phải mang tính ứng dụng thực tiễn mang lại giá trị cao hiệu suất sử dụng, tính phổ biến, Và đo đạt tính thực tế sản phầm thực nghiệm Từ đó, tơi tận dụng kiến thức lý thuyết kỹ thuật thiết kế anten để tạo anten riêng Thơng qua đó, ta định hình thiết kế anten dựa tần số hoạt động hay loại anten thực tế Chính vậy, tơi, tạo loại anten vừa hoạt động dải băng tần 4G quan trọng đạt thông số cao đạt nhiều hiệu suất thực nghiệm 1.2 Mục tiêu nghiên cứu: V Nghiên cứu tìm giải pháp giảm nhỏ kích thước anten cải thiện đồng thời tham số anten vi dải nâng cao hệ số tăng ích, mở rộng băng thông, cải thiện hệ số phản xạ, hiệu suất tổng, sử dụng cấu trúc DGS kép để cải thiện số thông số anten V Nghiên cứu tìm giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ đồng thời cải thiện thông số anten MIMO nâng cao hệ số tăng ích, mở rộng băng thơng, cải thiện hệ số phản xạ, hiệu suất tổng, sử dụng cấu trúc DGS kép để cải thiện số thông số anten 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: V Đối tượng nghiên cứu: • Anten vi dải • Anten MIMO • Cấu trúc DGS kép V Phạm vi nghiên cứu: • Anten đơn anten MIMO, có cấu trúc vật liệu đơn giản dễ chế tạo • Băng tần truyền thơng sử dụng 4G LTE Advanced: 3.5 GHz 1.4 Phương pháp nghiên cứu: J Phương pháp nghiên cứu tài liệu (Thu thập thông tin phạm vi băng tần 4G tính phổ biến băng tần tồn giới nói chung Việt Nam nói riêng; viết tham khảo, sách thiết kế, ảnh - hình vẽ, video có liên quan tới cách thiết kế, tính tốn tối ưu hoá thiết kế anten vi dải anten MIMO lý thuyết; tham khảo ý kiến từ bạn lớp, giáo viên hướng dẫn, ) J Phương pháp mô (Thu thập thông tin cách thiết kế mô kết vẽ anten phần mềm mô phỏng; tham khảo tài liệu, sách thiết kế, ảnh - hình vẽ, video có liên quan tới cách mơ phỏng, tính tốn tối ưu hố mơ anten vi dải anten MIMO lý thuyết; ) J Phương pháp thực nghiệm (Dựa vào kết mô tối ưu để tạo nên anten vi dải hay anten MIMO hồn chỉnh thơng qua vật liệu dễ tìm thị trường kinh nghiệm làm anten thông qua lần thất bại Sau tạo thành phẩm, sử dụng kiến thức học để đo lường tính tốn lại thơng số kích thước anten để từ đánh giá đo đạt sản phẩm) 1.5 Kết cấu đề tài: s Đề tài gồm chương: • Chương I: Giới thiệu (Nêu lý chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, kết cấu đề tài) • Chương II: Sơ lược Anten vi dải (Microstrip Antenna) (Một số nghiên cứu liên quan đến đề tài, khái niệm lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu, linh kiện sử dụng đề tài) • Chương III: Các kỹ thuât nghiên cứu (Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động mạch, sơ đồ nguyên lý) • Chương IV: Thiết kế mô Anten vi dải 3.5 GHz (Chưa tối ưu) (Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động mạch, sơ đồ nguyên lý) • Chương V: Thiết kế mô Anten vi dải 3.5 GHz (Đã tối ưu) (Thi công mạch phần cứng, mạch thực tế, kết kiểm thử mạch) • Chương VI: Thiết kế mô Anten MIMO 3.5 GHz (Thi công mạch phần cứng, mạch thực tế, kết kiểm thử mạch) • Chương VII: Kết thi cơng thực nghiêm (nnnnjjjjjj) • Chương VIII: Kết luân kiến nghị (nnnnjjjjjj) 111 111 111 111 111 111 11^ Hình 5.16: Phân bố trường xa 3D Hình 5.15: Mật độ công suất suy hao mặt phẳng xạ Farfìeld Gain Abs (Phi=90) — farfidd (f=3.5) [1] Phi=270 Phi= 9Ữ 15 Ũ 18 Ũ Theta ị Degree vs dBi Frequency = 3.5 GHz 150 Main lobe magntude = 2.21 dBi Main lũbe direction = 5.0 deg Angular widtti (3 dB) = 81.3 deg Side lũbe level = -1.8 dB Hình 5.17: Phân bố trường xa 2D mặt phẳng yz • Nhận xét: Ấ Giá trị Giá trị Các tham sô \ So sánh (Anten chưa ưu) (Anten ưu) Giảm đến S11 (dB) -13.352259 -53.310874 79.971% Tăng Dải thông (MHz) 102.49 205.63 200.634% Tăng Hiệu suất xạ (dB) -3.7222107 -1.8947654 Tổng hiệu suất (dB) đến Tăng đến 33.733% -3.9278729 -1.8947857 Hệ số sóng đứng VSWR đến 33.11% Giảm 1.5476881 1.0043294 đến 39.354% Hệ số tăng ích (dBi) 2.747 2.214 5.0 44.628% Tăng đến 81.3 62.5% Giảm đến Hướng thùy (Deg) (Mp yz) 3.0 Độ rộng búp sóng (Deg) (Mp yz) 92.6 46.751% Giảm Diện tích mặt phẳng xạ ( 25.84x19.96 16.44x12.41 đến 32.16x26.96 28.345% Giảm đến mm2) Diện tích tồn anten (mm2) Giảm đến 40.55x34.68 38.14% Bảng 5.2: Bảng so sánh tham số anten vi dải 3.5 GHz (Chưa tối ưu tối ưu) 5.3 Kết thực nghiệm: Hình 5.18: Kết thi cơng Anten 3.5 GHz (Đã tối ưu) Kết mô 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 S 11 , 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 thông 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 CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN MIMO 3.5 GHZ 6.1 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 2x1 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 A 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 Q” 6.2 Mô phỏng: Thơn g số Kích thước (mm) L W pn 17.2 p Ls Ws 13.0 28.3 74.9 L f W f X f g l d s 15.3 3.0 5.0 12.6 1.1 2.15 Bảng 6.1: Các thơng số kích thước anten MIMO (Kc = 0.48 A = 41.143 mm) Hình 6.1: Khoảng cách cổng cấp điện đầu vào anten MIMO Hình 6.2: Mặt phẳng đất Hình 6.3: Mặtphẳng xạ có đầu nối SMA Hình 6.4: Mặtphẳng đất có đầu nối SMA Hình 6.5: Tham số S11 ,S21 ,S12,S22( dB) Hình 6.6: Tham số S11 ,S22(dB) Hình 6.7: Tham số S21 ,S12(dB) Hình 6.8: Dải thơng (MHz) Hình 6.9: Hiệu suất xạ (dB) 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 Hình 6.13: Mật độ phân bố dịng anten Hình 6.14: Mật độ công suất suy hao anten mặtphẳng xạ Hình 6.15: Mật độ cơng suất suy hao anten mặtphẳng xạ Hình 6.16: Phân bố trường xa 3D anten Prequency = 3.5 GHz Main lobe magntude = Main lobe direction = Angular width (3 dB) = Theta / Degree vs, dBi 5.Ữ deg 84.1 deg Side lobe level = -2.1 dB Hình 6.17: Phân bố trường xa 2D mặt phẳngyz anten • Nhận xét: Các tham số Giá trị Giá trị So sánh (Anten tối ưu) (Anten MIMO) Tăng S11 ,S22 (dB) -53.310874 -22.340616 đến 29.531% Giảm Dải thông (MHz) 205.63 181.79 đến 46.92% Giảm Hiệu suất xạ (dB) Tổng hiệu suất -1.8947654 -2.1706577 đến 53.393% Giảm -1.8947857 -2.2291241 (dB) đến 54.054% Tăng Hệ số sóng đứng VSWR 1.0043294 1.1653844 đến 53.711% Tăng Hệ số tăng ích (dBi) 2.214 2.784 đến 55.7% Hướng thùy (Deg) (Mp 5.0 5.0 yz) Độ rộng búp sóng (Deg) (Mp Bằng Tăng 81.3 84.1 đến yz) 50.85% Diện tích mặt Tăng phẳng xạ ( 16.44x12.41 17.26x13.0 52.38% min) Diện tích tồn anten (mm2) đến 32.16x26.96 74.9x28.3 Tăng đến 70.97% Bảng 5.2: Bảng so sánh tham số anten vi dải 3.5 GHz (Đã tối ưu MIMO) 6.3 Kết thực nghiệm: Hình 6.18: Kết thi cơng Anten MIMO 3.5 GHZ 2*1 Hình 6.19: Kết đo đạt Anten MIMO 3.5 GHz 2*1 6.4 Kết luận chương: 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