(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu thiết kế ăng ten băng rộng sử dụng tụ biến thiên cho hệ thống vô tuyến khả tri

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG NGUYỄN PHÚ AN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ANTEN CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN KHẢ TRI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI 2021 BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG NGUYỄN PHÚ AN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ANTEN CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN KHẢ TRI Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Hưng HÀ NỘI 2021 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết nghiên cứu nêu Luận văn trung thực, trích dẫn tài liệu tham khảo tạp chí, trang web tham khảo đảm bảo theo quy định chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan rằng, giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Nguyễn Phú An LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin em trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng thời gian qua dìu dắt tận tình truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm vô quý báu để em có kết ngày hơm Em xin trân trọng cảm ơn Thầy giáo TS Nguyễn Việt Hưng, người hướng dẫn khoa học luận văn, hướng dẫn tận tình giúp đỡ mặt để hồn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô Khoa Đào tạo sau đại học hướng dẫn giúp đỡ em trình thực luận văn MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ Nghĩa CPW Coplanar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng CR Congnitive Radio Vơ tuyến khả tri DMS Defected Microstrip Structure Khe vi dải khuyết DSA Dynamic Stratum Access Truy cập phổ động DSI Dynamic Stratum Indentyfi Nhận diện phổ LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp PLL Phase-Locked Loop Vòng khóa pha PU Primary User Người dùng sơ cấp QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RFID Ratio Frequency Identification Nhận thực tần số vô tuyến SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa phần mềm SU Secondary User Người dùng thứ cấp UWB Ultra Wideband Băng siêu rộng VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng điện áp WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục không dây WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Khả tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba SH Switch High Chuyển mạch cao BST Barium Strontium Titanate Chất điện môi biến thiên 10 MỞ ĐẦU Với thời đại công nghệ ngày phát triển, đặc biệt lĩnh vực truyền thông không dây, số lượng sản phẩm dịch vụ công nghệ tăng lên cách nhanh chóng mặt lĩnh vực xã hội, điều tất yếu, hệ phát triển cạn kiệt tài nguyên phổ tần Tài nguyên phổ tần hữu hạn, với mức sử dụng hiệu từ 5-10% phổ tần ở nước ta hay dẫn đến lãng phí tài nguyên lớn Hơn nữa, dịch vụ cấp phép lại thường sử dụng không hiệu nguồn tài nguyên này, dẫn đến nhiều dịch vụ phải “chen lấn” dải tần lại gây trở ngại lớn cho phát triển hệ thống truyền thơng nói chung hệ thống truyền thơng khơng dây nói riêng tương lai Nhận thấy tồn trên, hệ thống vô tuyến khả tri (CR) đời đóng vai trị giải pháp hưu hiệu để khắc phục tình trạng sử dụng tần số cách lãng phí hiệu Hiện nay, hệ thống vô tuyến khả tri cộng đồng nhà nghiên cứu, nhà công nghiệp viễn thông, viện trường giới quan tâm nghiên cứu, thực nghiệm triển khai, đồng thời công nghệ chủ đạo tiềm cho mạng vô tuyến sau thông tin di động 5G… Trong hệ thống vơ tuyến khả tri, hiệu phụ thuộc lớn vào việc cảm nhận xác tài nguyên phổ tần Hay nói cách khác vấn đề cảm nhận phổ tần đóng vai trị định việc chiếm dụng tài nguyên cách tối ưu Để dạt điều này, hệ thống ăng ten cần thiết kế nhằm mục đích cảm nhận tái cấu hình tần số cách linh hoạt hiệu Trước đây, số mẫu ăng ten trình bày với mục đích sử dụng cho vơ tuyến khả tri với phương pháp tái cấu hình khác Trong nội dung Luận văn, mẫu ăng ten sử dụng tụ điện khả dung cho hệ thống CR thiết kế, mô đánh giá kết Trong khuôn khổ Luận văn, đời hệ thống vơ tuyến khả tri, lý thuyết tóm lược mơ hình kiến trúc việc đánh giá hiệu việc cảm nhận phổ tần trình bày Và quan trọng thiết kế mẫu ăng ten sử dụng tụ điện cho hệ thống vô tuyến khả tri trình bày Luận văn với đề tài: “ Nghiên cứu Thiết kế ăng ten băng rộng sử dụng tụ biến thiên cho hệ thống vô tuyến khả tri” phần mở đầu kết luận, kết cấu gồm có chương: Chương I: Tổng quan vô tuyến khả tri Chương II: Ăng-ten sử dụng vô tuyến khả tri 62 Ansoft HFSS sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM), kỹ thuật chia lưới thích nghi (adaptive meshing) kỹ thuật đồ họa Ansoft HFSS sử dụng để tính tốn tham số chẳng hạn như: tham số S, tần số cộng hưởng, giản đồ trường, tham số γ, …HFSS hệ thống mô tương tác, phần tử mắt lưới tứ diện Điều cho phép bạn tìm lời giải cho vật thể 3D Đặc biệt cấu trúc có dạng cong phức tạp Ansoft công ty tiên phong sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô trường điện từ kỹ thuật như: phần tử hữu hạn, chia lưới thích nghi, … Ansoft HFSS cung cấp giao diện trực quan dễ dàng sử dụng để phát triển mơ hình thiết bị RF thụ động Chu trình thiết kế bao gồm bước sau: Vẽ mơ hình với tham số cho trước: vẽ mơ hình thiết bị, điều kiện biên nguồn kích thích Thiết đặt thơng số để phân tích: thực thiết đặt thơng số để tìm lời giải Chạy mơ phỏng: q trình hồn tồn tự động Hiển thị kết quả: đưa báo cáo đồ thị trường 2D Trong q trình thực phân tích, HFSS chia toàn cấu trúc thành tứ diện nhỏ (gọi mắt lưới) Hệ thống mắt lưới lấp kín tồn cấu trúc Kỹ thuật mơ sử dụng HFSS để tính tốn trường điện từ 3D bên cấu trúc 63 dựa phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM) Một cách tổng qt, phương pháp FEM chia tồn khơng gian toán thành hàng ngàn vùng nhỏ (gọi phần tử mắt lưới) biểu diễn trường phần tử mắt lưới theo hàm sở riêng cho phần tử Cịn HFSS, toàn cấu trúc chia tự động thành số lượng lớn khối tứ diện Tập hợp toàn khối tứ diện gọi hệ thống mắt lưới phần tử hữu hạn Ta phải chọn lựa kích thước mắt lưới, độ xác mong muốn tài nguyên (bộ nhớ) mà máy vi tính sẵn có Với mong muốn đạt độ xác tối đa, điều có nghĩa mắt lưới cực nhỏ Nhưng tràn nhớ vượt khả xử lí máy vi tính Để tạo hệ thống mắt lưới tối ưu, HFSS sử dụng quy trình lặp, gọi phân tích thích nghi (adaptive analysis), mắt lưới tự động “cải tiến” vùng quan trọng Trước tiên, đưa lời giải dựa hệ thống mắt lưới khởi tạo “thơ” Sau đó, “cải tiến” mắt lưới vùng có tỷ trọng lỗi cao tạo lời giải Khi tham số chọn hội tụ giới hạn mong muốn, HFSS khỏi quy trình lặp Phần trình bày loạt Hướng dẫn Port, nhằm giúp người dùng hiểu rõ đặc tính kích thích mơ hình Với đầu vào khơng xác, tồn giải pháp trường 3D khơng xác Do đó, ý thích hợp đến 64 định nghĩa Port tạo khác biệt phân tích HFSS thành cơng khơng thành công Hướng dẫn sử dụng phần mềm HFSS Trong phần trình bày hướng dẫn này, người dùng trình bày hướng dẫn để thiết lập cổng cấu trúc đường truyền ống dẫn sóng đồng phẳng (CPW) nối đất không nối đất Các đề xuất cho cổng sóng cổng gộp phác thảo Lời khuyên chung cung cấp cho việc định kích thước cổng ban đầu, sau quy trình chẩn đốn để sử dụng để đánh giá xem cổng người dùng có phù hợp với cấu hình cụ thể họ hay khơng Các ví dụ hình ảnh cung cấp chế cổng CPW nối đất, không xung quanh có giới hạn suốt hướng dẫn Hình 3.14 Khung phác thảo  Cấu tạo Ống dẫn sóng đồng phẳng hệ thống đường truyền bao gồm luồng mang dòng điện trung tâm đỉnh bề mặt, đồng phẳng với mặt bên mở rộng khoảng cách đối xứng sang hai bên vết Có nhiều loại đường truyền CPW khác sử dụng ứng dụng RF vi ba: 65 CPW nối đất (GCPW) có thêm mặt phẳng tiếp đất mặt chất Trong thực tế, mặt phẳng cần phải đủ xa so với dấu vết so với sở bên cạnh hệ thống mang chế độ CPW chế độ giảm microstrip CPW khơng có xung quanh tiêu chuẩn hơn, mặt đồng phẳng bên cạnh thân dải cung cấp đường dẫn dòng điện trở lại mặt đế không tải CPW mặt đất hữu hạn (FG-CPW) theo truyền thống đề cập đến CPW khơng bao quanh kim loại hóa mặt đất bên có chiều rộng hạn chế, thường khơng lần chiều rộng mẫu trung tâm, cân nhắc không gian Thuận lợi CPW có lợi tương tự microstrip, chỗ tín hiệu truyền mẫu bề mặt tiếp xúc, gắn thành phần gắn bề mặt Là thiết bị mang tín hiệu bề mặt, có lợi cho để kiểm tra thơng qua đầu dị loại tín hiệu mặt đất Khơng giống microstrip, CPW (ít dạng ngồi bao quanh) có tổn thất phát sinh phận gắn bề mặt mặt đất bên Nhược điểm Nhược điểm CPW khó thiết kế hơn: tính đoạn mở đoạn ngắn không đơn giản với microstrip dải băng Ngồi ra, CPW khơng hỗ trợ tốt nhiều máy tính đường truyền đại trình mơ mạch Mặc dù đạt kích thước cần thiết cho CPW đặc tính trở kháng mong muốn, thường kích thước đầu máy tính đường truyền thực với ràng buộc khác Nếu 'tỷ lệ khung hình' CPW (tỷ lệ khoảng trống với chiều rộng mẫu) trở nên cao thấp, chế độ CPW mong muốn thay chế độ microstrip chế độ đường ống song song, dẫn đến hiệu suất  Kích thước CPW CPW thường xác định theo chiều rộng dải trung tâm w, chiều rộng khe hở g, chiều cao chất h vật liệu điện môi chất Độ dày kim loại quan trọng, đặc biệt độ dày kim loại t ≥0,1w t ≥0,1g 66 Đối với FG-CPW, chiều rộng mặt bên cạnh, S, phải xem xét thiết kế Port: Hình 3.15 Kích thước CPW  Mục đích Port bề mặt 2D trường giải theo Phương trình Maxwell để xác định kích thích phương thức RF thích hợp vào khối lượng mơ hình 3D Hãy nghĩ cổng “khẩu độ” phân bố trường định hướng biết đến với giải pháp phần tử hữu hạn trạng thái ổn định Các port sóng giải phân bố trường thực tế mặt cắt đường truyền Các cổng gộp kích thích phân bố trường đơn giản hóa phép đầu tham số S port sóng khơng khả thi  Đặc trưng Diện tích bề mặt cổng dựa đặc tính vật liệu vật liệu tiếp xúc với bề mặt Các ranh giới Wave Port có đặc điểm ranh giới ranh giới có chung cạnh Các cạnh chạm vào mặt perfect_e, chẳng hạn mặt phẳng, trở thành cạnh perfect_e để tính tốn cổng 67 Các cạnh chạm vào mặt perfect_h trở thành cạnh hồn hảo_h cho tính tốn port Các cạnh chạm vào mặt đối xứng xác định loại perfect_e perfect_h thích hợp Tuy nhiên, cạnh chạm vào mặt xạ, mặc định điều kiện biên dẫn điện perfect_e! Thay vào đó, biến mơi trường ZERO_ORDER_ABC_ON_PORT = đặt chúng thành 377 ohms Do cạnh giới hạn port, khơng khớp với ranh giới hành vi trường khối lượng 3D đầy đủ xung quanh đường truyền qua mặt phẳng cổng, nên định cỡ vị trí port thích hợp quan trọng Hình 3.16 Cổng microstrip Cổng microstrip bên trái có đủ diện tích bề mặt cho hành vi trường biên, cổng bên phải buộc trường bám vào tường bên cổng, khu vực xung quanh định ranh giới xạ  Kích thước cổng sóng Khuyến nghị tiêu chuẩn cho hầu hết cổng sóng CPW độ hình chữ nhật Chiều rộng cổng không nhỏ x chiều rộng CPW tổng thể x (2g + w) Chiều cao cổng không nhỏ x chiều cao điện mơi, 4h Nếu khơng có 'solid face' thuận tiện đáp ứng yêu cầu kích thước trên, vẽ hình chữ nhật 2D cho Cổng 68  Vị trí cổng sóng Cổng sóng phải theo chiều ngang mẫu CPW Nếu cổng nằm GCPW, cạnh cổng phải nằm mặt phẳng mặt đất đáy đế Nếu cổng đặt CPW khơng có xung quanh, chiều cao cổng phải vào lớp kim loại CPW - Hạn chế cổng sóng Như với tất cổng sóng, có bề mặt bình thường tiếp xúc với âm lượng trường Cổng phải mặt mơ hình bên ngồi giới hạn khối dây dẫn hoàn hảo bên Đường viền cổng sóng phải liên hệ với mặt đất bên cạnh (tất CPW) mặt đất phía (GCPW) Kích thước cổng sóng khơng vượt lambda / kích thước nào, để tránh cho phép kích thích phương thức ống dẫn sóng hình chữ nhật Hình 3.17 Kích thước cổng sóng bao quanh khơng bao quanh  Đường trở kháng Tùy chọn cho cổng sóng, muốn Zpv Zvi, nên vẽ kéo dài từ hai bên mặt đất đến điểm gần vết, cột có mép chất Chiều rộng cổng khơng nhỏ x chiều rộng CPW tổng thể x (2g + w) Chiều cao cổng không nhỏ x chiều cao điện môi, 4h  Đường hiệu chuẩn 69 Tùy chọn cho cổng sóng, sử dụng tham chiếu pha nhiều cổng (đối với tham số pha truyền) quan trọng Đường chuẩn giống với đường Trở kháng  GCPW Đối với CPW nối đất, đường Trở kháng Hiệu chuẩn thường kéo dài từ mặt đất bên cạnh để theo dõi Tuy nhiên, theo định người dùng, thay vào đó, người dùng muốn chạy đường từ mặt đất bên đến vết Thơng thường, định hướng dịng mong muốn độ dày điện môi có thứ tự với độ rộng khe hở dạng hình học CPW Sử dụng phân bố trường cổng báo vị trí mặt đất quan trọng hình dạng chế độ cụ thể bạn Hình 3.18 GCP nối đất  Phân phối trường phương thức Phân phối CPW E Field hiển thị hình ảnh bên Các trường vectơ hiển thị Thơng số điều hành thiết lập / Trở kháng cổng, cách đánh dấu cổng sử dụng nút Trường cổng bên cửa sổ đồ họa để điều chỉnh vectơ Các trường CPW phải đối xứng với hai bên vết trung tâm, với trường E kéo dài từ mặt đất đến vết (hoặc ngược lại) pha Các trường H xoay quanh dấu vết trung tâm Trong GCPW, đường trường kéo dài từ mặt đất đến đường trung tâm 70 Các trường không mở rộng mạnh vùng ngoại vi cảng, ngoại trừ đất thích hợp  Đặc tính trở kháng Chế độ CPW gần TEM, ba định nghĩa có sẵn trở kháng đặc tính Zpi, Zpv Zvi phải gần giống Trở kháng đặc tính CPW phải tương đối phẳng tần số Hình 3.19 Đặc tính trở kháng chế độ CPW bao quanh không bao quanh Vấn đề 1: Trường cổng không khớp với phân phối CPW, mở rộng qua cửa sổ cổng Có thể kéo dài qua chất qua khơng khí bên bề mặt kim loại [dưới cùng, bên trái] Nguyên nhân cổng rộng, dẫn đến phân bố chế độ loại ống dẫn sóng TE01 (các 'khoảng trống' nhỏ đường viền kim loại không đủ để ngăn chế độ tồn tại, có đủ diện tích) Giải pháp: Giảm chiều rộng cổng lambda / Đối với GCPW, cần chiều rộng lambda / chất Vấn đề 2: Trường cổng mở rộng từ trace sang cạnh bên cạnh cửa sổ port Gây cổng hẹp chụm lại [dưới cùng, bên phải] Giải pháp: Tăng chiều rộng chiều cao cổng, cách thích hợp, để giảm phần đính kèm trường 71 Vấn đề 3: Các trường cổng không đối xứng (rất hiếm) Một khoảng trống xuất kích thích, lỗ hổng cịn lại bị bỏ qua: kích thích "đường rãnh" Thường liên quan đến tỷ lệ khung hình cao CPW, khoảng cách dây dẫn hẹp, tần số thấp liên quan đến kích thước vật lý / kim loại hữu hạn giải "bên trong" Giải pháp: Hãy thử sử dụng 'đối tượng ảo' để hỗ trợ chia cổng hai khoảng trống Hoặc, toàn mơ hình 3D đối xứng, giải ½ không gian vấn đề cách sử dụng điều kiện đối xứng perfect_h (Lưu ý: Sự cố không thường xuyên xảy HFSS 8.0.25 hơn) Hình 3.20 Các trường cổng đối xứng không đối xứng Tại đường viền cổng phải chạm vào mặt bên ? Nếu đường viền cổng không tiếp xúc với mặt bên cạnh, ‘cửa sổ’ cổng thấy ba dấu vết tín hiệu có bên ‘tham chiếu mặt đất’ chu vi cổng [bên dưới, bên trái] Chế độ giải chế độ 'thậm chí' chế độ ba chế độ TEM có hệ thống này, khơng phải chế độ kích thích CPW Điều xảy tơi có FG-CPW tơi khơng thể làm cho cửa sổ cổng chạm vào mặt đất mà không làm cho hẹp? Cân nhắc tạo cửa sổ cổng với 'ngón tay' hướng vào tiếp xúc với mặt sân [đường viền màu đen, bên bên phải] Mặc dù điều dường tạo 'sự khơng khớp' với hình học 3D (chỉ cách mở rộng giả tạo mặt bên mặt phẳng cổng), nhớ cần loại bỏ cạnh cổng perfect_e thẳng đứng gần với dấu vết CPW, cho phép đường trường 72 kết nối từ dấu vết đến khu đất bên mà không bị nhiễu Do đó, chế độ tạo khơng khớp với nội thất hình học 3D với mặt cổng (hình trong, bên phải) Vấn đề 1: Trở kháng thấp, ổn định tần số Nghi ngờ đường viền cổng không tiếp xúc với mặt đất bên cạnh, cho phép ba dây dẫn chế độ “đồng đều” (xem trang cuối) Giải pháp: Đảm bảo điểm tiếp xúc bên đường viền cổng Nghi ngờ cổng hẹp ngắn theo chiều dọc, cho phép cạnh cổng đóng vai trị sở khơng nên tồn Hoặc có lẽ đáy cổng đặt cột với đáy chất nền, CPW nối đất không dự định Giải pháp: Điều chỉnh kích thước cổng / vị trí để di chuyển cạnh nối đất không mong muốn xa khỏi dấu vết CPW Vấn đề 2: Zpi, Zpv, Zvi cho kết khác nhau, phụ thuộc tần số mạnh Nghi ngờ giải pháp chế độ giống ống dẫn sóng hình chữ nhật chất khơng khí, cổng q lớn Giải pháp: Giảm chiều rộng cổng xuống lambda / vật liệu thích hợp 73 Cổng gộp sử dụng cho kích thích CPW nội Cịn gọi Cổng nguồn khoảng cách chúng kích thích trường E 'giống khoảng trống' đồng nhất, cho phép đầu thông số S Các ranh giới cổng gộp dẫn điện chạm vào dây dẫn ranh giới perfect_h không Sẽ không cung cấp trở kháng kết lan truyền; thay vào đó, thơng số S tham chiếu đến trở kháng người dùng cung cấp Mô phép đo thu thập đầu dị Tín hiệu Mặt đất tốt (ví dụ: phân tích thành phần Silicon) Hữu ích cho CPW chất dày so với chiều rộng vết khe hở (ví dụ: lại Silicon)  Định cỡ Kết nối khu đất bên với sau 'điểm cuối' dấu vết trung tâm Gán cổng cho hình chữ nhật kết nối dấu vết trung tâm với mặt đất nối, phù hợp với dấu vết trung tâm Chiều rộng cổng khơng lớn dấu vết CPW Chiều dài cổng phải gần chiều rộng (quá dài bỏ qua thành phần cảm ứng, nhỏ bỏ qua thành phần giống điện dung) Cổng phải nằm bề mặt đồng phẳng, vật thể kim loại 3D sử dụng 74 Trở kháng bắt buộc đường hiệu chuẩn phải mở rộng từ mặt đất để theo dõi quán cho tất cổng Hình 3.21 Định cỡ Port ... Luận văn với đề tài: “ Nghiên cứu Thiết kế ăng ten băng rộng sử dụng tụ biến thiên cho hệ thống vơ tuyến khả tri? ?? ngồi phần mở đầu kết luận, kết cấu gồm có chương: Chương I: Tổng quan vô tuyến khả. .. suất cho hệ thống sử dụng ưu tiên cao • Tối ưu dải tần số Việc sử dụng tài nguyên phổ nghiêm ngặt, hệ thống vô tuyến khả tri giúp sử dụng hệ thống phổ cách hiệu tối ưu Vô tuyến khả tri cho phép thiết. .. vô tuyến khả tri Chương II: Ăng -ten sử dụng vô tuyến khả tri 11 Chương III: Thiết kế mô ăng ten vô tuyến khả tri 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN KHẢ TRI Tần số nguồn tài nguyên vô quý giá thông