Nghiên cứu anten vi dải có mặt bức xạ tròn cho truyền thông IIoT TT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG NGUYỄN MẠNH CƯỜNG NGHIÊN CỨU ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ TRỊN CHO TRUYỀN THƠNG IIoT Chun ngành: Kỹ Thuật Viễn Thơng Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ (Theo định hướng ứng dụng) Hà Nội - 2021 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS DƯƠNG THỊ THANH TÚ Phản biện 1: PGS TS Đặng Thế Ngọc Phản biện 2: TS Phạm Duy Phong Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: Ngày 15 tháng 01 năm 2022 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Việc truyền liệu Internet vạn vật (IoT) Những ứng dụng công nghệ kết nối mạng thiết bị thông minh với hệ thống để thu thập, giám sát, trao đổi phân tích liệu cấp độ Để kết nối thiết bị với nhau, toán lựa chọn hệ thống anten có quy mơ phù hợp ln thách thức với nhà khoa học Industrial Internet of Things (IIoT) phát triển từ (IoT) xu phát triển tất yếu người hướng tới kỷ nguyên Công nghiệp 4.0 Với ưu điểm vượt trội như: vòng đời dài, độ tin cậy cao, thiết bị thơng minh IIoT truyền đạt thơng tin quan trọng theo cách tốt hơn, đồng thời phân tích nắm bắt liệu theo thời gian thực Các thiết bị IoT/ IIoT khơng dây có nhiều chuẩn truyền thông đề xuất như: Wifi, Bluetooth, EPC global, ZigBee, Z-wave, RFID, BLE, 4G-LTE-A, 5G,… Tuy nhiên, cơng nghệ lại có những đặc tính, dải tần hoạt động khác Vì vậy, việc cung cấp giải pháp tích hợp kết nối hệ thống/ thiết bị gặp phải thách thức không nhỏ cho thiết kế thiết bị thu phát vơ tuyến nói chung phần tử anten nói riêng Đồng thời, hội cho nhà nghiên cứu, phát triển thiết kế anten cho thiết bị IoT/ IIoT Anten phần tử quan trọng, thiếu thiết bị thu phát vơ tuyến Trong đó, anten vi dải loại hình anten đề xuất G A Deschamps vào năm 1953, sau nhanh chóng phát triển Với đặc điểm nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp, độ lợi cao, anten vi dải sử dụng phổ biến hệ thống thông tin vô tuyến đại Anten vi dải với độ linh hoạt thiết kế mặt xạ sử dụng cấu trúc hình chữ nhật, cấu trúc hình tam giác, cấu trúc hình trịn biến thể chúng tạo linh hoạt thiết kế băng thông băng tần cộng hưởng với độ khuếch đại kiểu phân cực sóng khác thiết kế tùy theo ứng dụng cụ thể Do vậy, với mục tiêu nghiên cứu, tìm hiểu nắm bắt công nghệ để thiết kế anten vi dải xạ trịn, có độ lợi cao cho ứng dụng IIoT, em lựa chọn nội dung “Nghiên cứu anten vi dải có mặt xạ trịn cho truyền thơng IIoT” làm luận văn nghiên cứu Nội dung luận văn trình bày 03 chương sau:  Chương 1: IoT/ IIoT  Chương 2: Anten vi dải có mặt xạ tròn  Chương 3: Thiết kế anten vi dải có mặt xạ trịn cho ứng dụng IIoT CHƯƠNG 1: IOT/IIOT 1.1.Tổng quan công nghệ IoT/IIoT 1.1.1 IoT Hình 1.1: Internet of Things IoT phải có thuộc tính: phải ứng dụng internet Hai là, phải lấy thơng tin vật chủ Hình 1.2: Sự gia tăng nhanh chóng giao tiếp máy - máy Hình 1.3: Ứng dụng tủ lạnh IoT Quá trình phát triển IoT: Các giao thức trao đổi tin IoT * MQTT (Message Queue Telemetry Transport),mục tiêu thu thập liệu giao tiếp D2S Mục đích đo đạc từ xa, giám sát từ xa, thu thập liệu từ nhiều thiết bị vận chuyển liệu đến máy trạm với xung đột MQTT nhắm đến mạng lớn thiết bị nhỏ mà cần phải theo dõi kiểm soát từ đám mây Hình 1.4: Ví dụ MQTT * XMPP ban đầu gọi "Jabber."Nó phát triển cho tin nhắn tức thời (IM) để kết nối người với người khác thông qua tin nhắn văn XMPP viết tắt Extensible Messaging Presence Protocol Hình 1.5: Ví dụ XMPP XMPP sử dụng định dạng văn XML, tương tự MQTT chạy, XMPP chạy tảng TCP, qua HTTP TCP Sức mạnh chương trình name@domain.comaddressing mạng Internet khổng lồ 1.1.2 IIoT Bảng 1.1: Phác thảo khác biệt hệ thống IoT IIoT Danh mục IIoT IoT Lĩnh vực tâm Ứng dụng công nghiệp Ứng dụng chung Trọng tâm phát triển Hệ thống công nghiệp Thiết bị thông minh Các biện pháp an ninh Nâng cao mạnh mẽ Tập trung vào tiện ích Khả tương tác CPS Tích hợp Tự chủ Khả mở rộng Mạng quy mô lớn Mạng quy mơ thấp Độ xác Được đồng hóa đến ms Được giám sát nghiêm ngặt Khả lập trình Lập trình chỗ từ xa Lập trình off-site dễ dàng Đầu Hiệu hoạt động Thuận tiện thuận lợi sử rủi ro xác dụng Khả phục hồi Yêu cầu khả chịu lỗi cao Không yêu cầu Bảo dưỡng Đã lên lịch lên kế hoạch Người tiêu dùng ưa thích Hình 1.6: Kiến trúc chung cho hệ thống IIoT 1.2 Các công nghệ truyền thông IIoT 1.2.1.Giới thiệu chung 1.2.2 WiFi Wi-Fi giao thức không dây thiết kế để thay Ethernet phương tiện khơng dây Mục tiêu cung cấp khả tương tác nhiều người bán với kết nối không dây tầm ngắn, dễ thực hiện, dễ sử dụng Hình 1.7: Tầm hoạt động WIFI Halow so với WIFI 2.4 5GHz 1.2.3 Truyền thông qua hệ thống mạng diện thoại di động Truyền thông thiết kế theo yêu cầu dường giải pháp khả thi cho hạn chế truyền thông kết nối với diện rộng thiết bị IoT/IIoT Công nghệ truyền thông di động thông qua vệ tinh giúp lĩnh vực IoT/IIoT phát triển dễ dàng xử lý thách thức kết nối phạm vi rộng Hình 1.8: Truyền thơng 5G cho xây dựng nhà máy thông minh kỷ nguyên IIoT 1.2.4 Bluetooth Cơng nghệ Bluetooth có chặng đường dài kể từ Ericsson phát minh vào năm 1994 Bluetooth phát triển giải pháp thay cho cáp RS tiêu chuẩn sau sử dụng để kết nối thiết bị bên với PC Bluetooth sử dụng IoT để theo dõi thiết bị lĩnh vực thương mại, giáo dục chăm sóc sức khỏe Nó phát triển để theo dõi thiết bị lĩnh vực sản xuất Hình 1.9: Cấu trúc xếp lớp Bluetooth 1.2.5 Zwave ZigBee 1.3 Ứng dụng IIoT kỷ nguyên công nghiệp 4.0 Sử dụng xe tự hành AGV Việc vận chuyển nguyên liệu, thành phẩm nhà máy sản phẩm đến kho thực phương tiện tự hành Xe tự hành AGV có khả di chuyển xung quanh nhà máy cảm biến Được điểu khiển máy tính máy tính bảng Tối ưu hóa hiệu suất máy móc thiết bị Máy móc, thiết bị tự động hóa nhà máy cơng cụ tạo giá trị cho doanh nghiệp Nhờ cảm biến xử lý liệu, tối ưu hóa thời gian sử dụng máy móc bên nhà máy sản xuất Bảo dưỡng thời điểm, giảm thời gian ngừng sản xuất,… Giảm thiểu sai sót người Con người yếu tố thiết yếu nhiều nhiệm vụ nhà máy thông minh Nhưng thiết bị, công cụ họ sử dụng kết nối với hệ thống mạng IIoT để tiết kiệm thời gian tránh sai sót Theo dõi q trình phân phối tới Các sản phẩm lưu trữ tích hợp cảm biến cung cấp liệu thời gian thực vị trí chúng Thậm chí nhiệt độ điều kiện xung quanh Điều đặc biệt hữu ích q trình phân phối, chẳng hạn phân phối vắc-xin COVID-19 Giảm số vụ tai nạn Các thiết bị đeo được, chẳng hạn kính bảo hộ, vòng đeo tay găng tay,… thiết bị kết nối mạng Internet cho phép thu thập liệu từ người lao động đeo chúng Ví dụ liệu là:  Khoảng cách với máy móc khơng đủ an toàn  Nhiệt độ, nhịp tim, huyết áp người… 1.4 Anten cho thiết bị IoT/IIoT Hình 1.10: Mơ hình chế tạo anten có hai nguồn cấp cho hệ thống cảm biến IoT/IIoT Hình 1.11: Anten với khe chẻ hình vành khăn dựa nguyên lý xạ tròn 1.5 Kết luậnchương Nội dung chương mang đến nhìn tổng quan IoT/IIoT, kiến trúc, giao thức truyền thông cho IIoT Các công nghệ truyền thông IoT/IIoT ứng dụng IIoT kỷ ngun cơng nghiệp 4.0 Đồng thời tìm hiểu số loại anten đề xuất sử dụng cho thiết bị IoT/IIoT sở để nghiên cứu sâu anten vi dải có mặt xạ trịn chương 10 Hình 2.3: Sóng cấu trúc anten vi dải 2.2 Phân loại anten vi dải 2.2.1 Phân loại theo cấu trúc anten Anten vi dải dạng tấm: Anten vi dải lưỡng cực: Anten khe vi dải: Anten vi dải sóng chạy: 2.2.2 Phân loại theo hình dáng xạ Hình 2.4: Các hình dáng khác anten vi dải 2.3 Anten vi dải có mặt xạ trịn 2.3.1 Cấu trúc Hình dạng anten vi dải xạ trịn bao gồm patch tròn mỏng, dẫn điện chất điện môi hỗ trợ mặt phẳng đất hình 2.5 11 Hình 2.5: Cấu trúc hình học anten vi dải có mặt xạ trịn 2.3.2 Tính chất điện từ anten kp = χ’mn/a (2.4b) kz = pπ/h (2.4b) m = 0, 1, 2, (2.4d) n = 1, 2, 3, (2.4e) p = 0, 1, 2, (2.4f) Trong (2.4b) χ/mn đại diện cho bậc đạo hàm hàm Bessel Jm (x),và thường dùng để xác định tần số cộng hưởng Bốn giá trị χ/mn,theo thứ tự tăng dần, là: 𝑥 ′ 11 = 1.8412 𝑥 ′ 21 = 3.0542 𝑥 ′ 01 = 3.8318 (2.5) 𝑥 ′ 11 = 4.2012 2.4 Các tham số thiết kế anten vi dải có mặt xạ trịn 2.4.1 Tần số cộng hưởng 2.4.2 Bán kính xạ Dựa mơ hình khoang, để thiết kế anten có mặt xạ trịn, cần xác định bán kính thực tế miếng xa dựa tham số yêu cầu thiết kế bao gồm: số điện môi chất (Ir), tần số cộng hưởng (fr) chiều cao chất h Giả thiết tính toán thực chế độ TMz110 Các thủ tục giả định thông tin định bao gồm thủ tục sau: Cách thức xác định: Tính tốn gần a để tìm ae dựa công thức (2.8) (2.9) 12 𝐹 𝑎= 2ℎ 𝜋𝐹 {1 + [ln ( ) + 1.7726]} 𝜋𝜖𝑟 𝐹 2ℎ (2.10) Trong đó: 8.791 × 109 𝐹= 𝑓𝑟 √𝜖𝑟 (2.11) Đơn vị tính h (2.10) phải tính cm Ví dụ: Thiết kế anten vi dải tròn sử dụng chất (RT/duroid 5880) với chất điện môi số 2,2, h = 0,1588 cm (0,0625 in.) để cộng hưởng tần số 10 GHz Giải pháp: Sử dụng cơng thức tính: 𝐹= 8.791 × 109 10 × 109 √2.2 = 0.593 Do sử dụng (2.10) 𝐹 𝑎= {1 + 2ℎ 𝜋𝐹 [ln ( ) + 1.7726]} 𝜋𝜖𝑟 𝐹 2ℎ = 0.525 𝑐𝑚(0.207 𝑖𝑛 ) Đây phương thức để dựa xác định bán kính thiết kế anten chương 2.4.3 Mật độ dịng tương đương trường xạ Sử dụng cơng thức (2,13a), anten microstrip coi vịng lặp phương trình xạ ta xác định sau: 𝐸𝑟 = (2.14a) 𝑘0 𝑎𝑒 𝑉0 𝑒 −𝑗𝑘0 𝑟 𝐸𝜃 = −𝑗 {𝑐𝑜𝑠𝜙𝐽′ 02 } 2𝑟 (2.14b) 𝑘0 𝑎𝑒 𝑉0 𝑒 −𝑗𝑘0𝑟 𝐸𝜃 = 𝑗 {𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑖𝑛𝜙𝐽02 } 2𝑟 (2.14c) 𝐽′ 02 = 𝐽0 (𝑘0 𝑎𝑒 𝑠𝑖𝑛𝜃) − 𝐽2 (𝑘0 𝑎𝑒 𝑠𝑖𝑛𝜃) (2.14d) 𝐽02 = 𝐽0 (𝑘0 𝑎𝑒 𝑠𝑖𝑛𝜃) + 𝐽2 (𝑘0 𝑎𝑒 𝑠𝑖𝑛𝜃) (2.14e) 13 Hình 2.6: Mơ hình lỗ trống mật độ dòng điện từ tương đương cho anten microstrip xạ tròn 2.4.4 Độ định hướng Độ dẫn phụ thuộc vào công suất xạ khả định hướng anten vi dải có mặt xạ trịn xác định cách sử dụng định nghĩa tương ứng chúng Dựa trường củamô hình khoang xác định sau: 𝑃𝑟𝑎𝑑 = |𝑉0 |2 (𝑘0 𝑎𝑒 )2 𝜋⁄2 ′2 ∫ [𝐽02 + 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝐽02 ]𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃 960 (a) Mặt phẳng E (2.16) (b) Mặt phẳng H Hình 2.7: Bức xạ anten patch tròn 2.4.5 Trở kháng đầu vào Sự phụ thuộc độ dẫn điện trở kháng đầu vào theo bán kính hiệu dụng anten minh họa trực quan thông qua đồ thị thể hình 2.8 2.9 14 Hình 2.8: Sự phụ thuộc độ dẫn điện theo bán kính hiệu dụng anten patch trịn chế độ TMz110 Hình 2.9: Sự phụ thuộc trở kháng đầu vào theo bán kính hiệu dụng anten patch tròn chế độ TMz110 2.5 Kết luận chương Chương tìm hiểu tổng quan anten vi dải bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, sóng cấu trúc anten vi dải Đồng thời phân loại anten vi dải theo cấu trúc anten hình dáng xạ Bên cạnh nội dung tính chất điện từ, cấu trúc anten vi dải có mặt xạ trịn giới thiệu với tham số thiết kế anten làm sở bước vào chương Thiết kế anten vi dải có mặt xạ trịn ứng dụng cho IIoT 15 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI CÓ MẶT BỨC XẠ TRÒN CHO ỨNG DỤNG IIoT 3.1 Đặt vấn đề 3.1.1 Lựa chọn cơng nghệ Hình 3.1: Truyền thơng 4G/5G cơng trường thơng minh Chính vậy, băng tần phổ dụng truyền thông 4G/5G 802.11n, ac thường chọn thiết kế anten đa băng để tăng độ linh hoạt cho thiết bị, lý em lựa chọn băng tần phổ dụng cho thiết kế anten luận văn 3.1.2 Lựa chọn cơng cụ 16 Hình 3.2: CST phiên miễn phí cho sinh viên Bên cạnh CST có miễn phí student-CST với tài liệu hướng dẫn đầy đủ, chi tiết, tạo điều kiện lớn cho người học Chính CST lựa chọn em cho việc chế tạo anten Hình 3.3: CST với cơng cụ phong phú cho mô phỏng trường điện từ CST (Computer Simulation Technology) phần mềm linh hoạt thiết kế Ngay giao diện đầu vào, CST giới thiệu nhiều công cụ như: CST MICROWAVE STUDIO, CST EM STUDIO, CST PARTICLE STUDIO… thể hình 3.3.CST cung cấp giải pháp tính tốn hiệu xác cho việc thiết kế 17 phân tích CST cịn cho phép lựa chọn phương pháp thích hợp cho việc thiết kế tối ưu hóa thiết bị hoạt động phạm vi tần số rộng Hình 3.4: CST có giao diện làm việc thân thiện hiệu với người dùng 3.2 Thiết kế anten IIoT sử dụng anten vi dải có mặt xạ trịn Hình 3.5: Tiến trình thiết kế anten 18 3.2.1 Thiết kế phần tử xạ có cấu trúc vịng ring Để tính bán kính vịng ring, sử dụng cơng thức gần cho anten patch trịn trình bầy chương chúng có loại trường xạ Đối với chế độ 𝑇𝑀𝑛𝑚 , tần số cộng hưởng anten đánh giá từ công thức: 𝑓𝑛𝑚 = 𝑋𝑛𝑚 𝑐 2𝜋𝑎𝑒 √𝜖𝑟 (3.1) Trong c tốc độ ánh sáng mơi trường chân khơng, 𝑎𝑒 bán kính hiệu dụng vòng ring 𝜖𝑟 số điện môi chất 𝑋𝑛𝑚 chế độ cộng hưởng không thứ m hàm Bassel bậc n Jn’(ka) Một số chế độ bậc thấp liệt kê theo thứ tự tăng dần giá trị 𝑋𝑛𝑚 trình bày Bảng 3.1 Bảng 3.1: Giá trị 𝑿𝒏𝒎 Mode (n,m) 𝑿𝒏𝒎 0,1 1,1 1.84118 2,1 3.05424 0,2 3.83171 3,1 4.20119 4,1 5.317 1,2 5.331 Từ giá trị 𝑋𝑛𝑚 cho chế độ khác nhau, rõ ràng chế độ chiếm ưu chế độ tương ứng với 𝑛 = 𝑚 = cho anten có bán kính tối thiểu tần số cộng hưởng thấp Do đó, chọn chế độ 𝑇𝑀11 để xác định bán kính vịng (𝑎𝑒 ) cho tần số cộng hưởng định theo phương trình : 2ℎ 𝜋𝑎 (ln ( ) + 1.7726)} 𝑎𝑒 = 𝑎 {1 + 𝜋𝑎𝜖𝑟 2ℎ (3.2) Trong h độ dày chất điện mơi, a tính từ mối quan hệ phương trình (3.3): 𝑋𝑛𝑚 = 𝑘 𝑎 (3.3) Với k xác định theo : 𝑘= 2𝜋√𝜖𝑟 𝜆0 (3.4) 19 3.2.2 Thiết kế đa băng dựa vịng cộng hưởng SRR Hình 3.6: Cấu trúc vịng cộng hưởng phân chia SRR cho thiết kế siêu vật liệu từ tính Các vịng kim loại chất trắng điện mơi có màu xám Các khe dịng điện cảm ứng cộng hưởng phía nửa SRR mơ tả hình 3.2.3 Thiết kế anten Bảng 3.2: Kích thước anten vịng ring kép tái cấu hình Tham số Kích thước (mm) Tham số D 1.5 R1 13.5 Dr1 2.5 R2 6.6 Dr2 1.5 W 30 L 30 Wg Lt Wt (a) Mặt trước Kích thước (mm) (b) Mặt sau Hình 3.7: (a) (b) Cấu trúc anten tái cấu hình kết hợp vòng ring trăng khuyết 20 3.3 Đánh giá phân tích thiết kế thơng qua kết mơ phỏng 3.3.1 Tham số tán xạ S11 Hình 3.8: Kết mô phỏng tham số S11của anten đề xuất 3.3.2 Phân tích dịng bề mặt anten (a) f=2.66 GHz 21 (b) f= 5.2 GHz (c) f=6.6G Hz Hình 3.9: (a) (b) (c) Phân tích mật độ dòng anten đề xuất Cộng hưởng 6.6 GHz tạo từ cạnh vịng nhỏ tính tốn xấp xỉ theo cơng thức (3.7): 22 𝑓3 = 1.84118 × 3.108 2𝜋 × 6.6 × 10−3 × √4.3 = 6.4 (𝐺𝐻𝑧) (3.7) Ngồi ra, với bán kính vịng ngồi anten đề xuất, anten patch trịn thơng thường hoạt động băng tần 3.14 GHz theo công thức : 𝑓4 = 1.84118 × 3.108 2𝜋 × 13.5 × 10−3 × √4.3 = 3.14 (𝐺𝐻𝑧) (3.8) Có thể thấy anten đề xuất không đạt chế độ ba băng tần mà giảm tần số hoạt động thấp mức 2.6 GHz Điều có nghĩa anten đề xuất có kích thước 82.8% so với anten patch trịn thơng thường 3.3.3 Đờ thị xạ 2D/3D (a) Tại băng 2.6GHz (b) Tại băng 5GHz 23 (c) Tại băng 6.6GHz Hình 3.10: (a) (b) (c) Đồ thị xạ 2D/3D anten đề xuất 3.4 Kết luận chương Trong chương này, đề tài đề xuất thiết kế anten dựa nguyên lý anten có mặt xạ tròn kết hợp cấu trúc vòng cộng hưởng từ nhằm tạo anten ba băng, băng rộng với kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho thiết bị đầu cuối IIoT sử dụng chuẩn truyền thông WiFi 802.11n, ac, Wimax, LTE, 5G băng tần 10GHz 24 KẾT LUẬN Nội dung đề tài “Thiết kế anten vi dải có mặt xạ trịn cho ứng dụng IIoT” đạt kết sau: - Tìm hiểu cơng nghệ IoT/IIoT với đặc tính, u cầu, chuẩn truyền thông số đề xuất anten cho hệ thơng IoT/IIoT - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động loại hình anten vi dải từ sâu vào phân tích tham số hoạt động anten vi dải có mặt xạ tròn - Đề xuất mẫu anten vi dải có cấu trúc vịng ring dựa ngun lý hoạt động anten có mặt xạ trịn kết hợp với nguyên lý vòng cộng hưởng từ SRR Anten đề xuất hoạt động ba băng tần chủ đạo hệ thống truyền thông tiên tiến với kích thước nhỏ gọn, ứng dụng cho thiết bị IIoT ... bị IoT /IIoT sở để nghiên cứu sâu anten vi dải có mặt xạ tròn chương 9 CHƯƠNG 2: ANTEN VI DẢI CĨ MẶT BỨC XẠ TRỊN 2.1.Tổng quan anten vi dải Anten vi dải anten xạ mặt Anten có cấu trúc phẳng,... chương Thiết kế anten vi dải có mặt xạ tròn ứng dụng cho IIoT 15 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN VI DẢI CĨ MẶT BỨC XẠ TRỊN CHO ỨNG DỤNG IIoT 3.1 Đặt vấn đề 3.1.1 Lựa chọn cơng nghệ Hình 3.1: Truyền thơng... tạo anten vi dải 2.1.2.Nguyên lý hoạt động anten vi dải Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động anten vi dải 2.1.3 Sóng cấu trúc anten vi dải 10 Hình 2.3: Sóng cấu trúc anten vi dải 2.2 Phân loại anten vi