Phân tích, thiết kế và chế tạo anten kích thước nhỏ sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt cho hệ thống vô tuyến băng thông rộng

Cá nhân tham gia thực hiện đề tài, dự án: Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá Nội dung tham gia chính Sản phẩm chủ yếu đạt được Ghi

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NHIỆM VỤ KHCN CẤP NHÀ NƯỚC THEO NGHỊ ĐỊNH THƯ

VỚI NƯỚC NGOÀI

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NHIỆM VỤ

“PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ANTEN KÍCH THƯỚC NHỎ

SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC ĐẶC BIỆT CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG THÔNG RỘNG”

(MÃ SỐ 11/355/2008/HĐ-NĐT )

Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Khoa Điện tử - Viễn thông, ĐHBK

Hà Nội Chủ nhiệm đề tài/dự án: TS Vũ Văn Yêm

Hà Nội - 2010

1

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

NHIỆM VỤ KHCN CẤP NHÀ NƯỚC THEO NGHỊ ĐỊNH THƯ

VỚI NƯỚC NGOÀI

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NHIỆM VỤ

“PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ANTEN KÍCH THƯỚC NHỎ

SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC ĐẶC BIỆT CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG THÔNG RỘNG”

Chủ nhiệm đề tài/dự án: Cơ quan chủ trì đề tài/dự án:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HÀ NỘI Khoa Điện tử - Viễn thông

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Hà Nội, ngày tháng năm 2010

BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ NGHỊ ĐỊNH THƯ

I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài/dự án: “Phân tích, thiết kế và chế tạo anten kích

thước nhỏ sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt cho hệ thống thông

tin vô tuyến băng thông rộng”

Mã số đề tài, dự án: 11/355/2008/HĐ-NĐT

Thuộc: Nhiệm vụ Khoa học Công nghệ theo nghị định thư với

nước ngoài

2 Chủ nhiệm đề tài/dự án:

Họ và tên: Vũ Văn Yêm

Ngày, tháng, năm sinh: 29.10.1975 Giới tính: Nam

Học hàm, học vị: Tiến sỹ

Chức danh khoa học: Phó giáo sư Chức vụ: Trưởng Bộ môn Hệ

thống viễn thông, Khoa Điện tử- Viễn thông, ĐHBK Hà Nội

Điện thoại: Tổ chức: 04 - 38692242 Nhà riêng: 04-66509294

Mobile: 0945377046

Fax: 04-38692241 E-mail: yemvv-fet@mail.hut.edu.vn

Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại Học Bach Khoa Hà Nội

Địa chỉ tổ chức: số 1 phố Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội

Địa chỉ nhà riêng: Số 6, Liền kề 13, Khu đô thị Xala, phường Phúc

la, Hà Đông, Hà nội

3 Tổ chức chủ trì đề tài/dự án:

Tên tổ chức chủ trì đề tài: Đại học Bách khoa Hà Nội

Điện thoại: 04 - 38692136 Fax: 04 - 38692241

E-mail: qlkh@mail.hut.edu.vn

Website: http://www.hut.edu.vn/

Địa chỉ: Số 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội

3

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: GS.TS Nguyễn Trọng Giảng

Số tài khoản: 301.01.007

Ngân hàng: Kho bạc nhà nước Hai Bà Trưng, TP.Hà nội

Tên cơ quan chủ quản đề tài: Bộ Giáo dục và Đào tạo

Thời gian (Tháng, năm)

Kinh phí (Tr.đ)

Ghi chú

(Số đề nghị quyết toán)

4

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:

Đối với đề tài:

- Lý do thay đổi (nếu có):

3 Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài/dự án:

(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm vụ, xét

chọn, phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu

có); văn bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn, kiến nghị điều chỉnh nếu có)

Số

TT

Số, thời gian ban

1 355/QĐ-BKHCN

Ngày 10/3/2008

Quyết định về việc phê duyệt các nhiệm vụ hợp tác quốc tế về khoa học và công nghệ theo nghị định thư bắt đầu thực hiện từ năm 2008

2

11/355/2008/HĐ-NĐT

Ngày 08/5/2008

Hợp đồng thực hiện nhiệm vụ hợp tác quốc tế về khoa học và công nghệ theo Nghị định thư

- Xin chuyển mua sắm máy tính theo cấu hình mới vì cấu hình cũ không còn trên thị trường

- Chuyển kinh phí đoàn ra lần 2

5

sang năm 2010 thay vị năm 2009

4 Tổ chức phối hợp thực hiện đề tài, dự án:

Tên tổ chức

đăng ký theo

Thuyết minh

Tên tổ chức đã tham gia thực hiện

Nội dung

Số

TT

Sản phẩm chủ yếu đạt được

tham gia chủ yếu

Ghi chú*

Hà nội

Tư vấn chuyên môn

Hỗ trợ đo đạc thực nghiệm

- Kết quả đo phối hợp trở kháng anten

Hỗ trợ đo đạc thực nghiệm

Kết quả đo phối hợp trở kháng và đồ thị phương hướng anten

3 Viện kỹ thuật

bưu điện

Viện kỹ thuật bưu điện

Hỗ trợ trong tính toán mô phỏng

Trao đổi kinh nghiệm

lược Thông tin

và Truyền thông, Bộ TT

và TT

Hỗ trợ trong tính toán mô phỏng bằng phương pháp MoM, FDTD Trao đổi kinh nghiệm

Trao đổi kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực tối ưu, tính toán trường điện từ

và thiết kế anten

Hỗ trợ đo đạc thực nghiệm mẫu chế tạo lần cuối

Tư vấn và trao đổi chuyên môn

Hỗ trợ cung cấp các kết quả tính toán bằng phần mềm thương mại

Hỗ trợ các thuật toán, kỹ năng lập trình và mô phỏng anten

- Lý do thay đổi (nếu có):

5 Cá nhân tham gia thực hiện đề tài, dự án:

(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá

Nội dung tham gia

chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú

1 Vũ Văn

Yêm

Vũ Văn Yêm

- Phụ trách chung -Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo anten băng siêu rộng dùng vật liệu điện tử chắn dải EBG

-Nghiên cứu hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB

-Viết báo công bố kết quả

-Viết báo cáo tổng kết đề tài

- Mẫu anten vi dải băng thông rộng, siêu rộng sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt EBG -Chuyên đề về UWB và anten UWB

-Bài báo đăng trên

kỷ yếu hội nghị, tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nước

-Báo cáo tổng kết

2 Đào Ngọc

Chiến

Đào Ngọc Chiến

- Phụ trách tài chính

- Phát triển công cụ

-Công cụ tính toán trường điện từ

7

tính toán mô phỏng

và thiết kế anten -Giải thuật di truyền

GA kết hợp với FDTD

-Viết báo công bố kết quả

dùng phương pháp FDTD kết hợp với giải thuật di truyền

GA -Bài báo đăng trên

kỷ yếu hội nghị, tạp chí chuyên ngành trong, ngoài nước

3 Lâm Hồng

Thạch

Lâm Hồng Thạch

Xây dựng quy trình thiết kế anten vi dải kích thước nhỏ -Tính toán, mô phỏng anten vi dải UWB có tích hợp EBG

-Báo cáo chuyên

đề về EBG và quy trình thiết kế anten

vi dải kích thước nhỏ

4 Vũ Thị

Minh Tú

Vũ Thị Minh Tú

Thu thập, tổng hợp các tài liệu, kỹ thuật liên quan đến hệ thống UWB, anten

vi dải…

-Chuyên đề về anten vi dải băng siêu rộng UWB

5 Vương

Hoàng

Nam

Vương Hoàng Nam

-Phát triển phần mềm tính toán trường điện từ với

sự trợ giúp của máy tính cho các loại anten vi dải

-Một số mô đun trong công cụ tính toán trường điện

từ dùng máy tính

6 Paola

Pirinoli

Paola Pirinoli

Trao đổi, phát triển phần mềm tính toán trường điện từ dùng phương pháp FDTD

Phần mềm tính toán trường điện

từ dùng FDTD

7 Ricardo

Reina

Ricardo Reina

Đo đạc thực nghiệm, phát triển giải thuật GA

Kết quả đo đạc anten

- Lý do thay đổi (nếu có):

1 Khoa Điện tử, trường đại học Khoa Điện tử, trường đại học

8

- Trao đổi kết quả nghiên

cứu, tư vấn chuyên môn và

hỗ trợ, thực hiện đo đạc thực

nghiệm

- Số đoàn ra: 02 (01 đoàn

năm 2008 và 01 đoàn năm

2009)

- Số người tham gia: 06

Bách Khoa Torino, Dipartimento di Elettronica, Politecnico di Torino

Corso Duca degli Abruzzi

24, 10129 Torino, Italia

- Trao đổi kết quả nghiên cứu, tư vấn chuyên môn và

hỗ trợ, thực hiện đo đạc thực nghiệm

- Số đoàn ra: 02 (01 đoàn năm 2008 và 01 đoàn năm 2010)

- Số người tham gia: 06

- Lý do thay đổi (nếu có): Đổi thời gian đoàn ra thứ 2 từ năm 2009 sang năm 2010 theo công văn số 2512/CV-ĐHBK-HCTH ngày 25 tháng 12

năm 2009 để thực hiện việc trao đổi chuyên môn và thực hiện đo đạc do các mẫu anten chế tạo cuối năm 2009

7 Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:

2010

- Seminar quốc tế có sự tham gia của nhóm chủ trì đề tài phía đối tác Ý, tháng 11 năm 2009 Chi phí 12 triệu đồng

- Lý do thay đổi (nếu có):

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát trong nước và nước ngoài)

Số

TT

Các nội dung, công việc

(Bắt đầu, kết thúc

Người,

cơ quan

9

- tháng … năm)

(Các mốc đánh giá chủ yếu) Theo kế

hoạch

Thực tế đạt được thực hiện

1 Thu thập và tổng hợp các tài

liệu, số liệu kỹ thuật có liên

quan đến phân tích và thiết

kế các loại anten vi dải kích

thước nhỏ sử dụng vật liệu

cấu trúc đặc biệt Tiếp cận

với công nghệ thông tin vô

tuyến băng thông rộng và kỹ

thuật chế tạo vật liệu cấu trúc

đặc biệt

05/2008

03/2008-9/2008

04/2008-TS Vũ Văn Yêm, TS Đào Ngọc Chiến, NCS Vũ Thị Minh Tú, NCS Lâm Hồng Thạch, Khoa Điện tử viễn thông ĐHBKHN

2 Nghiên cứu và phát triển

phần mềm tính toán trường

điện từ với sự trợ giúp của

máy tính cho các loại anten

vi dải kích thước nhỏ sử dụng

vật liệu nhân tạo cấu trúc đặc

biệt

09/2009

2/2010

06/2008-TS Đào Ngọc Chiến và các cộng sự tại khoa ĐTVT, ĐHBK

HN và một số đối tác nước ngoài

3 Ứng dụng phần mềm tính

toán đã được xây dựng để

phân tích và thiết kế tối ưu

một số mô hình anten theo

các ý tưởng đã được đề xuất

ban đầu Tiến hành so sánh

các kết quả thu được bằng

việc sử dụng các phần mềm

thương mại

11/2009

4/2010

9/2009-TS Vũ Văn Yêm, TS Đào Ngọc Chiến, NCS Lâm Hồng Thạch, khoa ĐTVT

ĐHBKHN

4 Chế tạo và đo đạc thực

nghiệm các mô hình anten

được thiết kế tối ưu bằng

máy tính

01/2010

5/2010

12/2009-Đại học Bách Khoa Torino, Viện KHCN quân sự Bộ quốc phòng, Đại Học Công nghệ, đại học Quốc gia Hà nội,

5 Xây dựng quy trình thiết kế

anten vi dải kích thước nhỏ

3/2010

4/2010

2/2010-TS Vũ Văn Yêm

và các cộng sự

6 Báo cáo tổng hợp 03/2010 05/2010 TS Vũ Văn Yêm

và TS Đào Ngọc Chiến,ĐHBKHN

10

- Lý do thay đổi (nếu có):

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

Thực tế đạt được

1 Anten vi dải kích thước

nhỏ, băng thông siêu

10

- Đồ thị bức xạ: đẳng/định hướng

- Băng tần: 3.1 GHz-10.6 GHz

- Tăng ích G:

G ≥ 3 dBi

- Kích thước S (cm2): ≤ 13 x

13

- Đồ thị bức xạ:định hướng

- Lý do thay đổi (nếu có):

1 Thuật toán mới cho phân

tích và thiết kế anten vi dải

cho các hệ thống thông tin

vô tuyến băng thông rộng

dựa trên phương pháp tính

toán số học có kết hợp sử

dụng thuật toán tự động tối

ưu di truyền GA

-Dễ hiểu, dễ áp dụng

-Phạm vi ứng dụng

rộng

-Dễ hiểu, dễ áp dụng

-Phạm vi ứng

dụng rộng

2 Quy trình công nghệ cho

thiết kế và chế tạo anten vi

dải kích thước nhỏ

-Dễ dàng thực hiện đối với những người không có chuyên môn sâu -Có tính thực tế

cao

-Dễ dàng thực hiện đối với những người không có chuyên môn sâu

-Có tính thực tế

cao

11

- Lý do thay đổi (nếu có):

Số lượng, nơi công bố

và tin cậy cao -Giao diện thân thiện với người

sử dụng

Năng lực tính toán lớn, tốc độ nhanh, yêu cầu tài nguyên phần cứng máy tính thấp, thích hợp chạy trên các loại máy tính cá nhân thông thường -Độ chính xác

và tin cậy cao -Giao diện thân thiện với người

sử dụng

2 Bài báo

khoa học

3 - 5 bài 10 bài -Microwaves and Optical

Technology Letters, Wiley -Research, Development

on Electronics, Telecommunications and

Information technology Journal

-International Conference

on Advanced Technologies for Communications

-IEEE international Conference on Antennas,Propagation,

and Systems -International Conference

on Electromagnetics in Advanced Applications -International Conference

on Communications and

12

Electronics

- The 5th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology

(IWAMSN2010)

- Lý do thay đổi (nếu có):

d) Kết quả đào tạo:

Số lượng

Số

TT

Cấp đào tạo, Chuyên

hoạch

Thực tế đạt được

Ghi chú

(Thời gian kết thúc)

1 Thạc sỹ, điện tử-viễn thông 04 04 12/2009

2 Tiến sỹ, điện tử-viễn thông 01 01 12/2012

- Lý do thay đổi (nếu có):

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp, quyền đối với

Ghi chú

(Thời gian kết thúc)

2

- Lý do thay đổi (nếu có):

e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế

2 Đánh giá về hiệu quả do đề tài, dự án mang lại:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ

công nghệ so với khu vực và thế giới…)

- Nắm vững và làm chủ công nghệ tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế

tạo anten vi dải kích thước nhỏ băng thông siêu rộng có tích hợp vật liệu

điện từ chắn dải EBG Các mẫu anten vi dải được ứng dụng trong các hệ

13

thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng để truyền các tín hiệu có băng thông rộng như hình ảnh, dữ liệu tốc độ cao Ngoài ra các mẫu này còn được dùng trong việc đào tạo đại học, sau đại học Các mẫu anten thiết

kế, chế tạo được cũng đang được các cơ sở nghiên cứu của nước ngoài thiết kế, chế tạo chưa có sản phẩm bán trên thị trường

- Hiểu rõ và làm chủ các mô đun phần mềm tính toán thiết kế, tối ưu anten được dùng để tính toán, thiết kế anten vi dải phục vụ cho việc đào tạo đại học, sau đại học và nghiên cứu khoa học Các mô đun phần mềm tính toán thiết kế dựa trên phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian FDTD đang được các trường đại học, viện nghiên cứu ở nước ngoài tập trung nghiên cứu hoàn thiện

- Các kết quả đạt được thông qua thực hiện nhiệm vụ là rất mới ngang tầm với các nước phát triển, đi trước so với trong nước Các kết quả nghiên cứu công bố thông qua các bài báo có trình độ ngang tầm khu vực

và thế giới

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường…)

Hiện nay trên thị trường mới chỉ bán một số mẫu anten vi dải băng siêu rộng không có tích hợp vật liệu EBG với giá thành khá cao từ vài chục đến vài nghìn đô la mỹ cho mỗi mẫu anten tùy theo chất lượng Còn đối với các anten vi dải băng siêu rông có tích hợp EBG chưa thấy xuất hiện trên thị trường mà chỉ mới công bố trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu ở nước ngoài

Còn đối với sản phẩm là chương trình phần mềm mang lại hiệu quả kinh

tế lớn Hiện nay các phần mềm thương mại cho tính toán thiết kế, mô phỏng anten bán với giá thành rất cao (22 000 USD với phần mềm CST,

40 000 USD với phần mềm HFSS ) Tuy nhiên đây là phần mềm hoàn thiện với rất nhiều tính năng Đề tài mới tạo ra được các mô đun tính toán

cơ bản trường điện từ bằng phương pháp số Để ra được sản phẩm thương mại được cần có thêm thời gian và tài chính để tiếp tục hoàn thiện và thử nghiệm

Các mẫu anten băng siêu rộng dùng vật liệu có cấu trúc EBG có thể ứng dụng cho truyền thông vô tuyến băng siêu rộng với tốc độ dữ liệu rất cao trong các tòa nhà, ứng dụng trong hệ thống radar băng siêu rộng dùng trong quân sự

14

3 Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài, dự án:

Số

Thời gian thực hiện

Ghi chú

(Tóm tắt kết quả, kết luận chính, người chủ trì…)

I Báo cáo định kỳ

giá hiệu quả các nhiệm

vụ nghị định thư giai đoạn 2004-2008

II Kiểm tra định kỳ

Đại Học Bách Khoa Hà Nội

- Hoàn thành đúng tiến

độ theo thuyết minh đề tài, các chuyên đề đầy đủ, sản phẩm đáp ứng đủ các yêu cầu

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chủ nhiệm đề tài: TS VŨ VĂN YÊM

Thời gian thực hiện: 4/2008 - 4/2010

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 11

PHẦN I- TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI I TÓM TẮT 12

II TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 13

III MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 16

IV CÁCH TIẾP CẬN CỦA ĐỀ TÀI 17

V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 18

VI PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 19

VII NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 19

VIII DANH SÁCH CÁN BỘ, NGHIÊN CỨU SINH, HỌC VIÊN CAO HỌC VÀ SINH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 21

PHẦN II- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Chương 1 Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB 23

1.1 Giới thiệu về công nghệ UWB 23

1.2 Ưu điểm của công nghệ UWB 26

1.3 Thách thức đối với UWB 28

1.4 Tín hiệu và hệ thống UWB 29

1.4.1 Kỹ thuật UWB phát xung 29

1.4.2 Kỹ thuật UWB đa sóng mang 30

1.4.2.1 Hướng tiếp cận trải phổ 30

1.4.2.2 UWB đa băng 32

1.4.2.3 UWB đa băng dùng OFDM 32

1.4.3 Dạng sóng xung dùng trong UWB 32

1.4.4 Các phương pháp điều chế dữ liệu 33

1.4.5 Các phương pháp đa truy nhập 35

1.4.5.1 Kỹ thuật nhảy thời gian 35

1.4.5.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số 35

1.4.5.3 Đa truy nhập xung trực giao 35

1.4.6 Kỹ thuật thu UWB 36

1.4.6.1 Tách năng lượng 36

1.4.6.2 Bộ thu tương quan 36

1.4.6.3 Bộ thu Rake 36

1.5 Các ứng dụng của UWB 37

Chương 2 Anten trong hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB 38

2.1 Các tham số cơ bản của anten 38

2.2 Yêu cầu kỹ thuật của anten UWB 39

2.3 Nền tảng lý thuyết thiết kế anten UWB 43

2.3.1 Phân loại anten UWB 43

2.3.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế anten UWB 43

2.3.2.1 Giới thiệu về anten vi dải 44

2.3.2.2 Anten độc lập tần số 49

Chương 3 Phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian FDTD và giải thuật di truyền GA trong thiết kế, tính toán, tối ưu anten UWB 55

3.1 Giới thiệu về phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian FDTD 55

3.2 Phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian FDTD 56

3.2.1 Công thức cơ bản 56

3.2.2 Giới thiệu phương pháp FDTD 58

3.2.3 Tính ổn định của thuật toán 60

3.2.4 Điều kiện biên hấp thụ 60

3.2.5 Điều kiện biên hấp thụ của Mur 61

3.2.6 Nguồn sóng 64

3.2.7 Kích thước của cell 65

3.2.8 Kích thước bước thời gian cho việc ổn định 66

3.2.9 Đồ thị phương hướng 67

3.3 Giải thuật di truyền GA và ứng dụng trong tối ưu các thông số của anten 69

3.3.1 Lịch sử ra đời GA 69

3.3.2 Giải thuật GA và bài toán tối ưu các tham số anten 69

3.3.3 Ứng dụng của GA trong thiế kế và tối ưu anten vi dải 71

3.3.4 Tối ưu hóa băng thông và giảm kích thước anten vi dải bằng việc kết nối chương trình GA với phần mềm mô phỏng HFSS và FDTD 72

3.4 Giao diện công cụ tính toán và một số kết quả điển hình 76

3.4.1 Giao diện công cụ và các thông số đầu vào 76

3.4.2 Một số kết quả mô phỏng điển hình 78

Chương 4 Cấu trúc điện tử chắn dải EBG và ứng dụng trong thiết kế anten 82 4.1 Giới thiệu về EBG 82

4.2 Cơ sở lý thuyết 83

4.2.1 Định lý Bloch và đồ thị tán sắc 83

4.2.2 Các phương pháp số học mô hình hóa cấu trúc EBG 86

4.3 Nghiên cứu cấu trúc EBG 2 chiều 86

4.3.1 Giới thiệu cấu trúc EBG 86

4.3.2 Các mô hình lý thuyết nghiên cứu cấu trúc EBG hình nấm 87

4.3.3 Đặc tính của cấu trúc EBG hình nấm 91

4.3.4 Phân tích cấu trúc EBG hình nấm bằng máy tính 96

4.4 Ứng dụng của EBG trong thiết kế anten 103

4.4.1 Ứng dụng đặc tính pha phản xạ 104

4.4.2 Ứng dụng tính chất triệt sóng mặt 106

4.4.3 Ứng dụng EBG trong thiết kế anten vi dải 108

Chương 5 Thiết kế, mô phỏng, chế tạo một số anten UWB sử dụng EBG 109 5.1 Thiết kế anten UWB 109

5.2 Thiết kế cấu trúc EBG 113

5.3 Chế tạo thử nghiệm một số anten có tích hợp EBG 119

5.3.1 Anten có tích hợp EBG không có vias 119

5.3.2 Anten có tích hợp EBG có vias 123

5.3.3 Anten xoắn ốc hai cánh có tích hợp LEBG 126

Chương 6- Tóm tắt các kết quả đạt được, kết luận và kiến nghị 138

6.1 Các kết quả nghiên cứu đạt được 138

6.2 Kết luận và kiến nghị 154

TÀI LIỆU THAM KHẢO 156

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Tên viết tắt Tên thuật ngữ đầy đủ Tạm dịch

UWB Ultra Wide Band Băng thông siêu rộng

FCC Federal Communications

Commission

Ủy ban truyền thông liên bang

Mỹ

RF Frequency Radio Tần số sóng vô tuyến

EBG Electromagnetic Bandgap Khe dải điện từ

LEBG Loaded Electromagnetic

QoS Quality of System Chất lượng dịch vụ

PBG Photonic Bandgap Khe dải ánh sáng

PDN Power Distribution Network Mạng phân phối nguồn

SSN Simultaneous Switching Noise Nhiễu chuyển mạch đồng thời FSS Frequency Selective Surface Bề mặt lựa chọn tần số

HIS High Impedance Surface Bề mặt trở kháng cao

AI EBG Alternating Impedance

Electromagnetic Bandgap

Khe dải điện tử trở kháng biến đổi

GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền

ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số AMC Artificial Magnetic Conductor Chất dẫn từ nhân tạo

EMC Electromagnetic Compatibility Tương tích trường điện từ EMI Electromagnetic Interference Giao thoa trường điện từ

FB Fractional Bandwidth Băng thông thành phần

FDM Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh

FDTD Finite Difference Time Domain Vi phân hữu hạn miền thời

gian FSS Frequency Selective Surface Bề mặt chọn lọc tần số

ISI Intersymbol Interference Giao thoa giữa các ký hiệu MAI Multi Acess Interference Giao thoa/ nhiễu đa truy nhập MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Điều chế đa sóng mang trực giao

OOK On – Off Keying Khóa „bật - tắt‟

PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung

PBG Photonic Band Gap Dải chắn Photonic

PEC Pecfect Electric Conductor Chất dẫn điện hoàn hảo

PG Processing Gain Tăng ích xử lý

PMC Perfect Magnetic Conductor Chất dẫn từ hoàn hảo

PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

PSM Pulse Shape Modulation Điều chế hình dạng xung

PWE Plane Wave Expansion Sự lan truyền sóng phẳng

TH – IR Time – Hopping Impulse Radio Radio xung nhảy thời gian

TH – PPM Time Hopping Pulse Position

EM Electromagnetic Trường điện từ

RL Returrn loss Hệ số tổn hao ngược

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Chiếm dụng phổ tẩn của công nghệ UWB

Hình 1.2 Mặt nạ phổ công suất cho UWB trong nhà

Hình 1.3 Mặt nạ phổ công suất cho UWB ngoài trời

Hình 1.4 Phân chia dải tần trong UWB

Hình 1.5 UWB tồn tại cùng các hệ thống thông tin băng hẹp khác

Hình 1.6 Sơ đồ khối máy thu phát UWB dạng xung dùng kỹ thuật TH-PPM Hình 1.7 Các kỹ thuật trải phổ đa sóng mang dùng trong UWB

Hình 1.8 Phân bổ băng tần theo đề xuất của MBOA

Hình 1.9 Dạng sóng miền thời gian xung Gaussian và các biến thể

Hình 1.10 Phổ các xung trong miền tần số

Hình 1.11 Sơ đồ khối máy thu dùng kỹ thuật tách năng lượng

Hình 1.12 Bộ thu tương quan

Hình 2.1 Trở kháng vào anten

Hình 2.2 Minh họa hệ thống anten phát và thu

Hình 2.3 Minh họa biến đổi của dạng sóng xung theo hướng bức xạ

Hình 2.4 Cấu trúc anten vi dải kiểu phiến

Hình 2.5 Tiếp điện kiểu đầu dò đồng trục

Hình 2.6 Tiếp điện dùng đường vi dải

Hình 2.7 Tiếp điện kiểu ghép nối điện từ

Hình 2.8 Tiếp điện kiểu ghép nối qua khe

Hình 2.9 Tiếp điện dẫn sóng đồng phẳng

Hình 2.10 Các mạng biến đổi trở kháng trong thực tế

Hình 2.11 Minh họa lý thuyết vòng bức xạ

Hình 2.12 Anten xoắn ốc mặt theo nguyên lý tự bù

Hình 2.13 Minh họa anten Archimedean 2 cánh tự bù

Hình 3.1 Cách chia cell trong FDTD

Hình 3.2 Tính toán trường trong FDTD

Hình 3.3 Sơ đồ khối thực hiện mô phỏng trong HFSS / CST

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán của thuật giải di truyền GA trong tối ưu các tham

Hình 3.8 Giao diện công cụ mô phỏng anten dựa trên phương pháp FDTD

Hình 3.9 Đồ thị tổn hao ngược của anten mô phỏng

Hình 3.10 Đồ thị bức xạ tại các tần số trong băng tần thiết kế

Hình 3.11 Đồ thị tăng ích của anten theo tần số

Hình 4.1 Minh họa cấu trúc EBG 3D, 2D (từ trái qua)

Hình 4.2 Cấu trúc EBG và cấu trúc đơn vị

Hình 4.3 Một cấu trúc tuần hoàn 2 chiều và miền Brillouni

Hình 4.4 Cấu trúc EBG hình nấm

Hình 4.5 EBG và mô hình tương đương LC

Hình 4.6 Mô hình đường truyền cho trường hợp sóng mặt

Hình 4.7 Mô hình đường truyền áp dụng cho sóng phẳng

Hình 4.8 Phiến kim loại để tính trở kháng sóng mặt

Hình 4.9 Sự lan truyền sóng mặt trên phần giao giữa hai vật liệu không đồng nhất

Hình 4.10 Đồ thị tán sắc rút ra từ mô hình LC

Hình 4.11 Minh họa đồ thị pha phản xạ của EBG

Hình 4.12 Một unit cell

Hình 4.13 Mô hình mô phỏng tham số tán xạ

Hình 4.14 Tham số tán xạ S21(ω) của cấu trúc EBG

Hình 4.15 Sự phụ thuộc dải chắn vào W

Hình 4.16 Sự phụ thuộc dải chắn vào r

Hình 4.17 Mô hình mô phỏng đồ thị tán sắc EBG

Hình 4.18 Đồ thị tán sắc cấu trúc EBG

Hình 4.19 Minh họa pha phản xạ của cấu trúc EBG hình nấm

Hình 4.20 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào W

Hình 4.21 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào g

Hình 4.22 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào h

Hình 4.23 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào hằng số điện môi

Hình 4.24 Lưỡng cực điện đặt gần PEC/PMC và EBG

Hình 4.25 Tham số s11 trong các trường hợp PEC, PMC, EBG

Hình 4.26 Dải tần hiệu quả của lưỡng cực và pha phản xạ của EBG

Hình 4.27 Đồ thị bức xạ của lưỡng cực khi: b đặt trên mặt phẳng đất

c đặt trên EBG tại tần số trong dải chắn – d tần số ngoài dải chắn

Hình 5.1 Minh họa đường xoắn ốc vi dải Archimedean

Hình 5.2 Minh họa mô hình anten trên phần mềm mô phỏng

Hình 5.3 Kết quả s11 trong trường hợp có đất

Hình 5.4 Minh họa một unit cell và mặt cắt cấu trúc EBG

Hình 5.5 Mô hình mô phỏng anten có tích hợp EBG

Hình 5.6 Pha phản xạ của cấu trúc EBG

Hình 5.7 S11 khi có EBG

Hình 5.8 Đồ thị phương hướng bức xạ trong mặt phẳng XZ

Hình 5.9 Đồ thị phương hướng bức xạ trong mặt phẳng YZ

Hình 5.10 Đồ thị S21 của cấu trúc EBG không có vias

Hình 5.11 Đồ thị S21 của cấu trúc EBG có vias

Hình 5.12 Đồ thị S11 của anten với EBG có vias

Hình 5.13 Đồ thị phương hướng bức xạ anten EBG có vias mặt phẳng XZ Hình 5.14 Đồ thị phương hướng bức xạ anten EBG có vias mặt phẳng YZ Hình 5.15 Ảnh chụp mẫu thiết kế

Hình 5.16 Kết quả đo S11 trên VNA Anritsu 37247

Hình 5.17 Buồng đo đồ thị phương hướng bức xạ

Hình 5.18 Mẫu anten thiết kế và anten phát

Hình 5.19 Kết quả đo đồ thị hướng (mặt phẳng XZ)

Hình 5.20 Ảnh chụp mẫu thiết kế EBG có vias

Hình 5.21 Quá trình đo phối hợp trở kháng ở đầu vào của anten chế tạo dùng máy phân tích mạng siêu cao tần VNA

Hình 5.22 Kết quả đo S11 trên VNA Anritsu 37369D

Hình 5.23 Mô hình thiết kế Ăngten xoắn ốc

Hình 5.24 Mô hình vật liệu LEBG

Hình 5.25 Mạch tương đương của cấu trúc LEBG

Hình 5.26 Mạch tương đương khe điện trở

Hình 5.27 Mô hình ăngten có tích hợp LEBG

Hình 5.28 Đồ thị hệ số phản xạ S11 của ăng ten

Hình 5.29 So sánh đồ thị phối hợp trở kháng của ăng ten với tấm đế PEC và LEBG

Hình 5.30 Đồ thị phương hướng 3D ở tần số 3.5GHz

Hình 5.31 Đồ thị phương hướng ở tần số f=6.5GHz

Hình 5.32 Đồ thị phương hướng ở tần số f=10GHz

Hình 5.33 Đồ thị phân bố dòng điện của ăngten

Hình 5.34 RHCP của ăngten LEBG

Hình 5.35 RHCP của ăngten PEC

Hình 5.36 Ảnh chụp mẫu LEBG chế tạo

Hình 5.37 Ảnh chụp mẫu anten xoắn ốc hai cánh có tích hợp LEBG

Hình 5.38 Kết quả đo S11 của anten xoắn ốc chế tạo có tích hợp LEBG

Hình 6.1 Giao diện chương trình phần mềm phát triển

Hình 6.2 Lưu đồ thuật toán của thuật giải di truyền GA trong tối ưu các tham

Hình 6.11 Kết quả đo S11 của anten chế tạo

Hình C.1 Minh họa công đoạn đo S11

Hình C.2 Minh họa công đoạn đo anten trong buồng anechoic

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 – So sánh tốc độ dữ liệu của UWB với một số chuẩn hiện có

Bảng 2 – Một số yêu cầu kỹ thuật anten băng siêu rộng

PHẦN I - TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

I TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB (Ultra Wide Band) đang thu hút được sự chú ý của cộng đồng nghiên cứu, phát triển sản phẩm trên thế giới UWB đem lại nhiều hứa hẹn về một môi trường truyền thông phạm vi cá nhân tốc độ rất cao Một trong những thách thức kỹ thuật đối với hệ thống UWB là vấn đề thiết kế, chế tạo anten Khác với anten vô tuyến băng hẹp truyền thống, anten UWB hoạt động trên dải tần rất rộng với những yêu cầu khắt khe về công suất bức xạ và độ méo dạng tín hiệu xung Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm anten cho hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt Vật liệu có cấu trúc đặc biệt có rất nhiều loại khác nhau Nghiên cứu các loại vật liệu có cấu trúc đặc biệt thuộc chuyên môn về vật liệu, vật lý kỹ thuật Trong khuôn khổ nghiên cứu của đề tài này, nhóm thực hiện đề tài tập trung nghiên cứu phát triển và ứng dụng vật liệu điện từ chắn dải EBG (Electromagnetic Band Gap) trong việc thiết kế chế tạo anten vi dải băng thông rộng, siêu rộng Trước hết qua việc nghiên cứu kĩ về lý thuyết, đề tài tính toán thiết kế và mô phỏng anten xoắn ốc được tích hợp vật liệu EBG với điện trở LEBG (Loaded EBG) có thể hoạt động tốt trong hệ thống thông tin băng siêu rộng UWB LEBG là một loại vật liệu mới được biến đổi đôi chút so với cấu trúc EBG thông thường nhằm đạt được sự ngăn chặn truyền sóng rất lớn Khi tích hợp cấu trúc này với anten vi dải cho ta một anten UWB với phối hợp trở kháng tốt trên toàn băng cũng như một đồ thị bức xạ tương đối tốt, đồng thời có kích thước nhỏ gọn và dễ chế tạo Sau đó đề tài đi nghiên cứu thiết kế, mô phỏng

và chế tạo được hai mẫu anten xoắn ốc vi dải đơn cánh có tích hợp cấu trúc EBG không có tải và cấu trúc EBG có vias Các mẫu anten được chế tạo và

đo đạc cho các kết quả ban đầu khá khả quan Đây cũng là một minh chứng rõ rệt về vai trò cũng như ứng dụng của cấu trúc EBG - một chủ đề nghiên cứu rất sôi nổi trên thế giới

Ngoài ra, đề tài nghiên cứu phát triển phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian FDTD (Finite Difference Time Domain) áp dụng trong việc tính toán, mô phỏng các thông số anten vi dải như hệ số phản xạ, đồ thị phương hướng Việc mô phỏng chương trình FDTD được chúng tôi viết bằng ngôn ngữ Fortran và Matlab Trong thiết kế mô phỏng và tối ưu các thông số của anten vi dải nhóm thực hiện đề tài phát triển và ứng dụng giải thuật di truyền

GA (Genetic Algorithm) để tối ưu các tham số của anten vi dải thiết kế Giải thuật di truyền GA thuộc lớp giải thuật tiến hóa, là kĩ thuật tối ưu toàn cục dựa trên lý thuyết Darwin về chọn lọc và tiến hóa tự nhiên, nhưng nó không

chỉ sử dụng đơn thuần trong sinh học như ta thường nghĩ mà còn có thể giải quyết rất tốt các bài toán về trường điện từ hay bất cứ bài toán nhiều tham số nào khác như bài toán phân tích, thiết kế anten Ưu điểm của giải thuật này so với các giải thuật tối ưu số truyền thống khác là: khả năng tối ưu cả với các tham số rời rạc và liên tục, khả năng tìm kiếm trên không gian rộng, khả năng

xử lý được nhiều biến hơn, GA cũng không đòi hỏi phải biết giá trị đạo hàm (gradient) của hàm cần tìm trên bề mặt chi phí (cost surface), vì thế sẽ làm đơn giản hơn rất nhiều quá trình thực hiện giải thuật Đề tài đã xây dựng được qui trình để phân tích, thiết kế chế tạo và đo đạc anten vi dải băng thông rộng

II TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay, hệ thống thông tin ngày càng phát triển mạnh mẽ, đóng một vài trò rất quan trọng và ứng dụng trong hầu hết các ngành như giáo dục, y tế,

an ninh quốc phòng… Đặc biệt gần đây công nghệ truyền thông không dây với khả năng cung cấp kết nối linh hoạt, rộng khắp ngày một phát triển mạnh

mẽ, dần trở thành hình thức truyền thông chủ đạo đáp ứng tốt các nhu cầu thông tin liên lạc của đời sống hiện đại Rất nhiều chuẩn truyền thông đã ra đời: từ lĩnh vực thông tin cá nhân (WPAN) với chuẩn Bluetooth (IEEE 802.15) nổi tiếng đến chuẩn WiFi (IEEE 802.11) trong mạng nội bộ (WLAN); Wimax (IEEE 802.16), 3G trong mạng vô tuyến đô thị (WMAN)

và những kết nối vô tuyến đường trục (WAN) như vệ tinh, vi ba… Trong các

hệ thống này anten là một thành phần không thể thiếu được Trong tất cả các

hệ thống có liên quan đến bức xạ và thu sóng điện từ từ không gian Nhiệm

vụ của anten không chỉ có vậy mà nó còn có thể bức xạ sóng điện từ theo những hướng nhất định, phù hợp với yêu cầu cụ thể Đặc tính bức xạ của anten phụ thuộc vào cấu tạo của nó Đặc biệt là thông tin vô tuyến tiên tiến tốc độ cao thì yêu cầu anten phải có tính năng, chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp như hiệu suất bức xạ cao, kích thước phù hợp, băng thông rộng, đồ thị bức xạ không bị méo, dễ chế tạo, giá thành thấp… Trong vài năm gần đây anten vi dải được áp dụng một cách phổ biến nhờ tính nhỏ gọn, nhất là khi các phần mềm mô phỏng anten ra đời; nó đảm bảo cho việc chế tạo anten được nhanh chóng và chính xác

Xuyên suốt cùng sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống thông tin

vô tuyến là nhu cầu không ngừng về tốc độ truyền dữ liệu Ngoài ra khi càng nhiều dịch vụ ra đời, tài nguyên phổ tần số càng bị thu hẹp Công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB gần đây ra đời là một giải pháp cho bài toán hạn hẹp về tài nguyên phổ tần UWB hoạt động trên dải tần 7.5 GHz không phải đăng ký (từ 3.1 GHz – 10.6 GHz) Để tránh can nhiễu tới các hệ thống vô tuyến hiện có, người ta quy định mật độ phổ công suất phát tối đa của UWB là – 41dBm/MHz Công nghệ không giây UWB, tương lai đầy hứa hẹn, hứa hẹn không những sẽ thay thế công nghệ IrDA (mạng kết nối sử dụng hồng ngoại) và Bluetooth (công nghệ vô tuyến được sử dụng để kết nối nhiều

thiết bị khác nhau) mà còn là cuộc cách mạng không dây trong gia đình

Giống như các công nghệ chủ đạo khác, UWB nhắm tới người sử dụng gia đình Người sử dụng có thể kết nối mạng không dây các thiết bị trong gia đình với tốc độ cao và nhanh chóng hơn rất nhiều so với những công nghệ không dây IrDA và Bluetooth Về cơ bản, UWB được phát triển để phục vụ cho truyền thông giữa các thiết bị trong gia đình của người sử dụng Tương lai các mạng không giây giữa các thiết bị trong gia đình sẽ là UWB với khả năng chia sẻ ảnh số, âm nhạc, video, dữ liệu, và tiếng nói UWB với bước sóng ngắn rất thích hợp cho các mạng gia đình WPAN (wireless personal area networks) Đây được coi là công nghệ có giá rẻ, tiết kiệm năng lượng, băng thông lớn UWB chủ yếu hướng tới ứng dụng truyền thông phạm vi hẹp (WPAN) với tốc độ cao (chuẩn hiện có đạt tới tốc độ 480Mb/s trong bán kính

10 m, dùng để thay thế USB) Với sự ra đời của UWB, tương lai đầy hứa hẹn

về một môi trường truyền thông vô tuyến tốc độ cao tới tận các thiết bị cầm tay không còn xa vời Sự ra đời của công nghệ UWB đặt ra nhiều thách thức

về kỹ thuật trong đó có vấn đề tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten Anten dùng cho UWB vừa phải đảm bảo băng thông rất rộng (7.5 GHz) đồng thời ít gây méo tín hiệu

Việc phát triển các công cụ tính toán thiết kế anten cũng như việc chế tạo anten cho thông tin vô tuyến nói chung và cho hệ thống thông tin vô tuyến băng thông siêu rộng UWB trong nước chưa được nhiều các viện nghiên cứu, các trường đại học và các doanh nghiệp đầu tư thích đáng khi chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế, chế tạo và làm chủ công nghệ Hiện tại trong nước, theo tìm hiểu và hiểu biết của nhóm tác giả thực hiện đề tài, có một số cơ sỏ, nhóm nghiên cứu liên quan gần đến chủ đề nghiên cứu có thể liệt kê dưới đây:

- Nhóm nghiên cứu về anten- siêu cao tần của TS Phan Hồng Phương, Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Tại đây nghiên cứu phát triển các mô đun, thiết bị siêu cao tần và anten băng thông siêu rộng

- Nhóm nghiên cứu về anten vi dải của PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang, Khoa Điện tử-Viễn thông, Trường Đại Hoc Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội

- Nhóm nghiên cứu về anten của TS Trần Minh Tuấn, Viện Chiến lược Thông tin và Truyền thông, Bộ Thông tin và Truyền thông

- Nhóm nghiên cứu về radar, kỹ thuật siêu cao tần của TS Nguyễn Thị Ngọc Minh, Viện Radar, Viện Khoa Học Công Nghệ Quân sự, Bộ Quốc Phòng…

Tuy nhiên đến thời điểm hiện tại chưa có nghiên cứu và công bố về vật liệu điện từ chắn dải EBG trong thiết kế chế tạo anten vi dải băng thông rộng, siêu

rộng cũng như phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian và giải thuật di truyền trong việc tính toán thiết kế, tối ưu anten vi dải

Ở nước ngoài có nhiều cơ sở, phòng thí nghiệm nghiên cứu và nhóm nghiên cứu gần với chủ đề nghiên cứu có thể kể ra sau đây:

- Nhóm nghiên cứu về anten, Phòng thí nghiệm RFM, Khoa Điện tử thông tin, Trường Đại Học Viễn thông Quốc Gia, Công Hòa Pháp Tại đây có nhiều nghiên cứu về thiết kế, chế tạo anten vi dải băng rộng, băng siêu rộng tuy nhiên không phát triển các thuật toán tính toán trường điện từ bằng phương pháp số như FDTD và giải thuật di truyền

GA

- Nhóm nghiên cứu về anten- siêu cao tần, của phòng thí nghiệm nghiên cứu LAHC, Viện Đại Học Bách Khoa Quốc Gia Grenoble Cộng Hòa Pháp Ở đây tập trung nghiên cứu thiết kế chế tạo anten băng rộng, đa băng, anten băng siêu rộng và hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng Tuy nhiên lại chưa có nghiên cứu và công bố về vật liệu điện từ chắn dải và ứng dụng cho thiết kế chế tạo anten băng rộng, băng siêu rộng

- Nhóm nghiên cứu về tính toán trường điệu từ bằng phương pháp số của

GS Paola, Khoa Điện-điện tử, Trường Đại Học Bách Khoa Torino Cộng Hòa Ý Đây là đối tác cùng thực hiện đề tài này Tại đây, nghiên

có nhiều kinh nghiệm trong nghiên cứu tính toán thiết kế anten vi dải dùng phương pháp Moment, phương pháp FEM và FDTD Tại đây cũng đang phát triển các giải thuật tối ưu các tham số của anten như giải thuật di truyền GA

- Nhóm nghiên cứu về anten của Trường Queen Mary, Trường Đại Học London, Vương Quốc Anh (http://www.elec.qmul.ac.uk/antennas/) Tuy nhiên tại đây chủ yếu nghiên cứu phát triển các anten băng thông siêu rộng vi dải cho ứng dụng khác nhau

- Nhóm nghiên cứu về siêu cao tần, trường Đại Học UCLA, Mỹ Đây là

cơ sở nghiên cứu rất mạnh về anten và siêu cao tần Tại đây có rất nhiều mô hình anten mới được đề xuất cho các ứng dụng đa băng, băng thông rộng và siêu rộng Tuy nhiên chưa có nghiên cứu về FDTD kết hợn với GA trong tính toan và tối ưu các tham số của anten

- Nhóm nghiên cứu về anten siêu cao tần của trường Đại Học Đông Nam, Trung Quốc Đây cũng là nhóm nghiên cứu rất mạnh về anten siêu cao tần Tuy nhiên chưa có công bố về nghiên cứu tối ưu anten bằng giải thuật di truyền GA

Còn rất nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu của các nước phát triển khác như Canada, Đức… đang tập trung nghiên cứu phát triển anten băng thông rộng cũng như giải thuật FDTD và GA.Tuy nhiên hầu hết là chỉ chú trọng

phát triển và chuyên sâu từng lĩnh vực hoặc FDTD, hoặc GA hoặc chỉ thiết kế chế tạo anten

Do đó nghiên cứu phát triển các mô đun phần mềm tính toán, mô phỏng và thiết kế anten cũng như việc nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo anten cho hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB là rất cần thiết không chỉ cho phát triển học thuật ở các trường đại học, viện nghiên cứu trong nước mà còn có ý nghĩa thiết thực và tầm quan trọng lớn trong phát triển công nghệ cao trong nước hiện nay Đề tài nghiên cứu khoa học này không nằm ngoài giải quyết vấn đề cấp thiết nêu trên

III MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Về mặt kỹ thuật, mục tiêu của đề tài là:

- Nghiên cứu phát triển các mô đun phần mềm tính toán trường điện từ dùng cho phân tích và thiết kế tối ưu anten vi dải với sự trợ giúp của máy tính Trong đó tính toán trường điện từ dùng phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian FDTD cho bài toán phân tích thiết kế anten và phát triển ứng dụng giải thuật di truyền GA cho bài toán tối ưu các tham số của anten vi dải

- Thiết kế, mô phỏng và chế tạo một số anten kích thước nhỏ sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt cho hệ thống thông tin vô tuyến băng thông rộng và băng thông siêu rộng UWB nhằm làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo anten và bước đầu tạo ra các sản phẩm do chính người việt nam chế tạo, là tiền đề cho việc phát triển ứng dụng thương mại trong các bước tiếp theo Trong đề tài này chúng tôi phát triển một hướng thiết kế anten băng siêu rộng trong đó sử dụng vật liệu cấu trúc đặc biệt EBG (vật liệu điện tử chắn dải) để cải thiện hiệu quả hoạt động của anten

Về mặt chính sách phát triển:

- Đề tài nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu triển khai công nghệ mới cho các nhà khoa học Việt Nam, đặc biệt là đội ngũ tiến sĩ trẻ, nhân tố tiên quyết quyết định sứ mệnh của các trường đại học Việt nam trong thời gian tới

- Đề tài còn là động lực thúc đẩy việc nghiên cứu khoa học phục vụ đào tạo sau đại học thông qua việc triển khai các hướng nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu hiện đại theo tiêu chuẩn quốc tế, một yêu cầu không thể thiếu và

vô cùng cấp bách đối với các trường đại học ở nước ta

- Mở rộng quan hệ hợp tác quốc tế trong nghiên cứu khoa học với cộng hòa Ý làm tiền đề cho các bước hợp tác phát triển song phương lâu dài tiếp theo

trong lĩnh vực điện tử viễn thông giữa đại học Bách Khoa Hà nội và đại học Bách Khoa Torino

IV CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ

TÀI

Để thực hiện được đề tài, nhóm thực hiện đề tài có các cách tiếp cận sau:

- Huy động được tối đa khả năng vốn có của đơn vị chủ trì, bao gồm nhân lực (cán bộ NCKH, nghiên cứu viên và sinh viên), cơ sở vật chất như thiết bị đo lường, phòng thí nghiệm

- Khảo sát khả năng nghiên cứu và chế tạo thiết bị của các đơn vị trong nước như khoa điện tử - viễn thông, đại học công nghệ, đại học quốc gia Hà nội, Viện khoa học công nghệ quân sự bộ Quốc phòng… Từ đó tận dụng tối đa

cơ sở vật chất để thiết kế, chế tạo và đo đạc thử nghiệm sản phẩm thiết kế

- Tìm hiểu xu hướng nghiên cứu – phát triển trên thế giới trong lĩnh vực thông tin vô tuyến băng siêu rộng, tính toán trường điện từ bằng phương pháp số, anten băng siêu rộng…

- Tìm hiểu các công nghệ sẵn có trên thế giới, khai thác các chương trình, đoạn chương trình sẵn có vào mục đích tìm hiểu, học tập và nghiên cứu rồi tự thiết kế và phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu thiết kế, nghiên cứu tính toán thiết kế mô phỏng và chế tạo thử nghiệm

- Tìm hiểu các tài liệu sẵn có ở trong nước và nước ngoài để tìm hiểu công nghệ UWB, EBG Đề nghị phía đối tác nước ngoài hỗ trợ và gửi các tài liệu nghiên cứu của họ cho phía đối tác trong nước

- Các bước trong tiếp cận là tìm hiểu các tham số và yếu cầu kỹ thuật của hệ thống UWB, anten trong hệ thống UWB, vật liệu cấu trúc EBG… dựa trên các tài liệu đã được công bố bởi những những nhóm nghiên cứu mạnh trên thế giới về lĩnh vực anten băng thông siêu rộng Từ đó, thấy được các ưu và nhược điểm có thể kế thừa hay loại bỏ trong quá trình đưa ra mô hình mới

- Bước tiếp theo là tiến hành xây dựng mô hình anten dựa trên những chọn lọc các yếu tố phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và mục tiêu của đề tài

Để nghiên cứu và phát triển đề tài, các phương pháp sau sẽ được áp dụng:

- Tổng hợp các giải pháp kỹ thuật cho bài toán đặt ra cụ thể là theo tiêu chuẩn Châu Âu; cụ thể: Đối với hệ thống UWB, dải tần làm việc từ 3.1 GHz-10.6 GHz, một dải tần rất rộng và việc thiết kế chế tạo anten là rất khó khăn so với hệ thống truyền thống

- Phát triển các thuật toán, các mô đun chương trình tính toán trường điện tử dùng máy tính

- Thiết kế chế tạo mẫu thử nghiệm Việc thiết kế chế tạo được thực hiện thông qua hợp tác với các cơ sở nghiên cứu mạnh đã có nhiều năm kinh nghiệm về lĩnh vực này ở trong và ngoài nước

- Đo đạc, kiểm nghiệm và đánh giá các tham số Mô hình đo đạc và đánh giá các tham số được đưa ra với sự tham khảo, tư vấn và góp ý bởi các nhà khoa học của đối tác nước ngoài và một số phần được thực thi ở nước ngoài là đối tác nghiên cứu

V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

- Đề tài được xây dựng từ lý thuyết đến thực tiễn Các mô hình anten thiết kế

sẽ được đầu tiên xây dựng và kiểm nghiệm dựa trên mô hình mô phỏng máy tính, từ đó phát triển trên mô hình thử nghiệm ở quy mô nhỏ Qua thử nghiệm, mô hình sẽ được phát triển từng bước để phù hợp với quy mô thực tế

- Đề tài được phát triển dựa trên sự kết hợp các năng lực nghiên cứu thực tế ở trong nước, kế thừa các kết quả nghiên cứu, các kinh nghiệm, kiến thức và công nghệ sẵn có của nước ngoài để tận dụng những lợi thế đi trước của họ trong lĩnh vực thiết kế anten và mạch tần số siêu cao để rút ngắn thời gian nghiên cứu cơ bản, nhằm hướng đến sản phầm thiêt kế cho phù hợp với điều kiện thực tế và khả năng ứng dụng của Việt Nam

- Nghiên cứu tiền khả thi và đề xuất mô hình các mẫu anten thiết kế, các kiến trúc vật liệu có cấu trúc đặc biệt, tiến hành mô phỏng và tối ưu để đánh giá khả năng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của mô hình đề đã chọn

- Tiến hành chế tạo thử nghiệm các mô hình đã thiết kế tối ưu sau đó tiến hành đo đạc đánh giá kết quả đo đạc với kết quả mô phỏng, với chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết kế

Nghiên cứu lý thuyết:

Bước đầu cho cách tiếp cận là thực hiện nghiên cứu các kết quả về lý thuyết, nguyên lý thiết kế chế tạo anten vi dải cho hệ thống thông tin vô tuyến băng thông rộng và siêu rộng Từ đó, nắm vững được các đặc tính và tham số

kỹ thuật của anten yêu cầu trong hệ thống UWB

Sau đó nghiên cứu các phương pháp tính toán thiết kế anten bằng phương pháp số như phương pháp moment, phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian Đồng thời phát triển các chương trình tính toán đi kèm Bên cạnh đó cũng nghiên cứu phát triển các phương pháp tối ưu trong bài toán anten như phương pháp gradient, phương pháp dùng giải thuật di truyền GA

Bước tiếp theo là nghiên cứu lựa chọn mô hình anten băng siêu rộng, nghiên cứu cấu trúc vật liệu đặc biệt EBG nhằm cải thiện các tính năng kỹ thuật của anten cần thiết kế Các mô hình phải được tính toán thiết kế chính xác và được tối ưu

Tiếp theo là mô phỏng các mô hình anten và EBG đã thiết kế Sử dụng các phương pháp đánh giá cho các tiêu chí nhằm điều chỉnh thiết kế và các tham

số sao cho đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

Việc tiến hành so sánh các kết quả tính toán bằng công cụ tự phát triển với các kết quả tính toán bằng các phần mềm thương mại sẽ được thực hiện với

sự trợ giúp của bên đối tác tham gia

Hơn nữa, kỹ thuật thiết kế và chế tạo mạch in chính xác được sử dụng để thiết kế và chế tạo các mẫu thực nghiệm, dùng cho việc đo thử và kiểm nghiệm thực tế

Chế tạo thử nghiệm:

Sản phẩm nghiên cứu được chế tạo thử nghiệm sau đó tiến hành đo đạc phối hợp trở kháng và đồ thị phương hướng … nhằm đánh giá các tính năng

và thông số thực nghiệm thực tế đạt được để hiệu chính nếu cần thiết

VI PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

- Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB: các chuẩn, hệ thống thu phát, anten trong hệ thống UWB…

- Phương pháp số trong phân tích, tính toán thiết kế anten: phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian FDTD

- Giải thuật di truyền và ứng dụng trong tối ưu các thông số của anten băng siêu rộng Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công cụ mô phỏng và thiết kế anten với sự trợ giúp của máy tính

- Cấu trúc vật liệu điện từ chắn dải EBG và ứng dụng trong bài toán thiết kế anten băng thông rộng, siêu rộng

- Thực hiện thiết kế mô phỏng và chế tạo anten vi dải băng siêu rộng có tích hợp vật liệu có cấu trúc đặc biệt EBG ứng dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng UWB

VII NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Trong nhiều năm qua, công nghệ truyền thông không dây với khả năng cung cấp kết nối linh hoạt, rộng khắp ngày một phát triển mạnh mẽ, dần trở thành hình thức truyền thông chủ đạo đáp ứng tốt các nhu cầu thông tin liên lạc của đời sống hiện đại Rất nhiều chuẩn truyền thông đã ra đời: từ lĩnh vực thông tin cá nhân (WPAN) với chuẩn Bluetooth (IEEE 802.15) nổi tiếng đến chuẩn WiFi (IEEE 802.11) trong mạng nội bộ (WLAN); Wimax (IEEE 802.16), 3G trong mạng vô tuyến đô thị (WMAN) và những kết nối vô tuyến đường trục (WAN) như vệ tinh, vi ba… Xuyên suốt cùng sự phát triển nhanh chóng này là nhu cầu không ngừng về tốc độ truyền dữ liệu Ngoài ra khi càng nhiều dịch vụ ra đời, tài nguyên phổ tần số càng bị thu hẹp Công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB chính là một giải pháp cho bài toán đó UWB hoạt động trên dải tần 7.5 GHz không phải đăng ký (từ 3.1 – 10.6 GHz) Để tránh can nhiễu tới các hệ thống vô tuyến hiện có, người ta quy định công suất phát tối đa của UWB là – 40dBm tương đương với mức nhiễu nền Đánh đổi băng thông lấy công suất, UWB chủ yếu hướng tới ứng dụng truyền thông phạm vi hẹp (WPAN) với tốc độ cao (chuẩn hiện có đạt tới tốc độ 480Mb/s trong bán kính 10 m, dùng để thay thế USB) Với sự ra đời của UWB, tương lai đầy hứa hẹn về một môi trường truyền thông vô tuyến tốc độ cao tới tận các thiết bị cầm tay không còn xa vời

Sự ra đời của công nghệ UWB đặt ra nhiều thách thức về kỹ thuật trong

đó có vấn đề thiết kế anten dùng phương pháp số Anten dùng cho UWB vừa phải đảm bảo băng thông rất rộng (7.5 GHz) đồng thời ít gây méo tín hiệu Báo cáo này trình bày một hướng thiết kế anten trong đó đề xuất sử dụng cấu trúc EBG để cải thiện hiệu quả hoạt động của anten và trình bày việc phân tích tính toán thiết kế anten dùng phương pháp số kết hợp với các phương pháp tối ưu các tham số

Nội dung báo cáo về kỹ thuật của đề tài chia làm 6 chương:

Chương 1 trình bày những vấn đề kỹ thuật cốt lõi của hệ thống vô tuyến băng siêu rộng Chương 2 đi sâu phân tích về anten và những yêu cầu thiết kế đặt ra với anten dùng trong UWB Chương 3 nghiên cứu về phương pháp vi sai hữu hạn miền thời gian FDTD và giải thuật di truyền GA trong phân thích, thiết kế, mô phỏng, tối ưu anten UWB Chương 4 trình bày về cấu trúc dải chắn điện từ EBG, những đặc tính độc đáo của EBG có thể ứng dụng

để nâng cao hiệu quả hoạt động của anten UWB Chương 5 trình bày một số mẫu thiết kế đề xuất kèm theo sản phẩm chế tạo thử nghiệm Chương cuối cùng tóm tắt lại các sản phẩm chính mà đề tài đạt được và phân tích khả năng ứng dụng đồng thời đề xuất các kiến nghị Chi tiết các nội dung và kết quả nghiên cứu tương ứng được trình bày trong phần II cũng như các chuyên đề tương ứng

Báo cáo được hoàn thành với tinh thần nghiên cứu nghiêm túc Tuy vậy

do hạn chế về thời gian, điều kiện kỹ thuật hiện có, báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp của hội đồng để nghiên cứu được hoàn chỉnh hơn

VIII DANH SÁCH CÁN BỘ, NGHIÊN CỨU SINH, HỌC VIÊN CAO

HỌC VÀ SINH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Danh sách cán bộ tham gia thực hiện đề tài:

+ Tên Cơ quan đối tác nghiên cứu nước ngoài:

Dipartimento di Elettronica, Politecnico di Torino

Corso Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino Italy

+ Chủ nhiệm đề tài: GS.TS Paola Pirinoli

Điện thoại: +39-011-564-4090 Fax: +39-011-564-4099

4 Nguyễn Xuân Quyền, học viên cao học khoá 2007-2009, khoa Điện Viễn thông trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

tử-5 Đặng Thị Thu Hương, lớp Hệ thống thông tin và truyền thông, kỹ sư chất lượng cao Việt Pháp - K49, trường Đại Học Bách Khoa Hà nội

6 Vũ Thanh, lớp điện tử 3 - K49, trường Đại Học Bách Khoa Hà nội

7 Nguyễn Ngọc Bảo, lớp điện tử 3 - K49, trường Đại Học Bách Khoa Hà nội

8 Luyện Thanh Hùng, lớp điện tử 9 - K50, trường Đại Học Bách Khoa Hà nội

9 Mai Thanh Nga, lớp điện tử 3 - K49, trường Đại Học Bách Khoa Hà nội

10 Nguyễn Trung Dũng, lớp điện tử 7 - K49, trường Đại Học Bách Khoa Hà nội

PHẦN II- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Chương 1 Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng

1.1 Giới thiệu về công nghệ UWB

Công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng (UWB) đã và đang thu

hút sự chú ý lớn của cộng đồng nghiên cứu trên thế giới Khác với các kỹ

thuật truyền thống, UWB dựa trên việc thu phát các xung độ rộng rất nhỏ (cỡ

ns) Tín hiệu UWB do vậy có băng thông rất lớn (hàng GHz) và mật độ phổ

công suất rất thấp ( -41.25 dBm/1MHz) Bởi thế công nghệ UWB còn được gọi bằng những thuật ngữ: “truyền thông xung - impulse”, “băng cơ sở -

baseband” hay “phi sóng mang – carrier free”

UWB (UWB) về căn bản khác so với các công nghệ không dây băng hẹp và trải phổ như công nghệ Bluetooth và 802.11a/g UWB sử dụng một băng cực kỳ rộng của phổ tần số để truyền dữ liệu như thể hiện trong hình 1.1 Do đó, UWB có khả năng truyền tải nhiều dữ liệu hơn đối với một chu kỳ thời gian so với các công nghệ truyền thống

Hình 1.1 Chiếm dụng phổ tẩn của công nghệ UWB

SS – Spread Spectrum: Trải phổ; NB – Narrowband: Băng hẹp

UWB – Ultra WideBand: Băng thông cực rộng

Tốc độ truyền dữ liệu qua đường truyền vô tuyến là tỷ lệ thuận với băng thông của kênh và phụ thuộc theo hàm loga với tỷ số tín hiệu trên nhiễu Nhưng độ rộng băng thông của kênh vô tuyến được ấn định trước, các nhà thiết kế khó có thể thay đổi thông số này trong các hệ thống vô tuyến và các ứng dụng Công nghệ Bluetooth, WiFi, điện thoại không dây, một số thiết bị khác sử dụng các băng tần không đăng ký ở 900 MHz, 2,4 GHz và 5,1 GHz Mỗi kênh vô tuyến bắt buộc chiếm giữ chỉ một dải tần hẹp so với công nghệ UWB UWB là cách sử dụng phổ tần số mới duy nhất

Về lịch sử, UWB không phải kỹ thuật mới, thậm chí nó còn là hình thức khởi đầu của thông tin vô tuyến Tín hiệu điện từ đầu tiên được tạo ra trong

các thí nghiệm của Hertz cuối thế kỷ 19 là tín hiệu xung ngắn Trên cơ sở đó, năm 1901 Marconi xây dựng hệ thống thông tin dùng sóng điện từ đầu tiên (điện báo) để truyền đi các mã Morse Tuy nhiên, từ sau 1910 sự chú ý lại quay về kỹ thuật băng hẹp Một phần nguyên nhân là do tín hiệu xung bấy giờ

có tốc độ thấp nhưng lại chiếm dụng băng tần lớn Đặc tính trải phổ này, vào thời điểm đó bị đánh giá kém hiệu quả trong khi phương pháp truyền thông băng hẹp mang lại hiệu quả sử dụng phổ tần cao nhờ kỹ thuật FDM

Vào khoảng những năm 60, UWB được ứng dụng trong lĩnh vực radar quân sự Tín hiệu xung với độ rộng càng hẹp thì radar xác định mục tiêu càng

chính xác

Sang thập niên 70, UWB lại thu hút sự chú ý mới Người ta thấy rằng các xung ngắn rất ít gây nhiễu các hệ thống băng hẹp hiện có và những hệ thống này cũng ít can nhiễu tới nó Thêm vào đó, đầu những năm 90, Win và

Scholtz phát minh ra kỹ thuật nhảy thời gian xung vô tuyến (time – hopping

impulse radio TH-IR) giải quyết bài toán nhiễu đa truy nhập nhiều người

dùng (MAI) Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, UWB bắt đầu đặt

chân vào lĩnh vực truyền thông vô tuyến thương mại

Một động lực khác phải kể đến là năm 2002 FCC (Hoa Kỳ) ban hành

quy định về phổ tần 7.5 GHz (từ 3.1GHz đến 10.6 GHz) và mặt nạ phổ công suất (công suất phát không quá 0.5mW) cho truyền thông vô tuyến băng siêu rộng Đây là một dấu mốc quan trọng trong sự phát triển của UWB Trong vòng 2 năm có khoảng 200 công ty hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực này

Nhận thức xu hướng đó, IEEE đã thành lập nhóm chuyên trách (IEEE

802.15.3a) gấp rút chuẩn hóa lớp vật lý cho công nghệ truyền thông vô tuyến

tốc độ cao dựa trên UWB Song song với đó, trong lĩnh vực công nghiệp, hai liên minh WiMedia (dùng kỹ thuật điểu chế đa song mang trực giao đa băng OFDM-Orthogonal Frequency Devision Multiplexing) và Diễn đàn UWB (dùng kỹ thuật trải phổ trực tiêp DS-CDMA) đã xuất xưởng các sản phẩm đầu vào năm 2005 Điều chú ý là không liên minh nào sử dụng kỹ thuật phát xung trực tiếp Bên cạnh các ứng dụng tốc độ cao, UWB còn được phát triển trong lĩnh vực truyền dữ liệu tốc độ thấp nhưng chú trọng mục tiêu giảm thiểu công suất tối đa Một nhóm chuyên trách khác của IEEE ban hành chuẩn cho các

ứng dụng này (IEEE 802.15.4a)

Dải tần số sử dụng rộng 7,5 GHz, từ 3,1GHz đến 10,6GHz Mỗi kênh chiếm

độ rộng băng tần hơn 500 MHz, độ rộng băng tần của kênh phụ thuộc vào tần số trung tâm Để cho phép băng tần tín hiệu rộng, FCC yêu cầu rất khắt khe cho việc hạn chế công suất phát Bởi thế, các thiết bị công nghệ UWB có thể làm việc ở dải tần cực rộng trong khi năng lượng phát ra không đủ lớn như các thiết bị sử dụng công nghệ băng hẹp ở gần như 802.11a/g Đây là sự chia sẻ phổ tần số cho phép thiết bị đạt được tốc độ truyền dữ liệu rất cao nhưng chúng phải đặt ở gần nhau

Sự giới hạn nghiêm ngặt về công suất có nghĩa là bản thân chúng phải có công

suất tiêu thụ thấp Vì đòi hỏi công suất thấp, đó là lợi thế để triển khai công nghệ UWB với chi phí thấp Với các đặc tính công suất thấp, giá rẻ, tốc độ dữ liệu cao ở khoảng cách giới hạn, công nghệ UWB có thể triển khai cho các hệ thống tôc độ cao WPAN, triển khai trong hệ thống thông tin trong nhà indoor hoặc ngoài trời Đối với các hệ thống trong nhà và ngoài trời có các yêu cầu cụ thể về mặt nạ phổ, mức công suất như trình bày trong hình 1.2 và hình 1.3

Hình 1.2 Mặt nạ phổ công suất cho UWB trong nhà

Hình 1.3 Mặt nạ phổ công suất cho UWB ngoài trời

Công nghệ UWB cho phép sử dụng lại tần số Các nhóm thiết bị tương tự nhau có thể sử dung chung kênh vô tuyến Do hạn chế về khoảng cách, ở các vị trí

khác nhau có thể dùng chung tần băng tần