Thiết kế ăng ten băng tần milimet độ lợi cao sử dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp trong chất nền ứng dụng cho trạm thu phát gốc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ Thiết kế ăng-ten băng tần milimet độ lợi cao sử dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất ứng dụng cho trạm thu phát gốc TRƯƠNG THỊ THÊM Them.TT211223M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Minh Thùy Trường: Điện – Điện tử HÀ NỘI, 3/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ Thiết kế ăng-ten băng tần milimet độ lợi cao sử dụng cơng nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất ứng dụng cho trạm thu phát gốc TRƯƠNG THỊ THÊM Them.TT211223M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: Trường: TS Lê Minh Thùy Chữ ký GVHD Điện – Điện tử HÀ NỘI, 3/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Trương Thị Thêm Đề tài luận văn: Thiết kế ăng-ten băng tần milimet độ lợi cao sử dụng cơng nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất ứng dụng cho trạm thu phát gốc Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số SV: 20211223M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 29 tháng 04 năm 2022 với nội dung sau: - Chỉnh sửa số lỗi tả, trình bày - Bổ sung, chỉnh sửa trích dẫn tham khảo trình bày chương - Việt hóa số thuật ngữ Tiếng Anh - Bổ sung nội dung chi tiết cho Chương Ngày 29 tháng 04 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn Trương Thị Thêm Lê Minh Thùy CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Giáo viên hướng dẫn: TS Lê Minh Thùy Bộ môn: Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp, Trường Điện-Điện tử, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Số điện thoại: 0948 911 283 Email : thuy.leminh@hust.edu.vn Nội dung Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Đề tài luận văn: Thiết kế ăng-ten băng tần milimet độ lợi cao sử dụng công nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất ứng dụng cho trạm thu phát gốc Giáo viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) Lê Minh Thùy Lời cảm ơn Lời đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến tiến sỹ Lê Minh Thùy– Bộ môn kỹ thuật đo tin học công nghiệp, trường đại học Bách Khoa Hà Nội cung cấp kiến thức, tạo điều kiện cho tác giả tham gia học tập, nghiên cứu nhóm nghiên cứu RF3I thuộc Bộ môn kỹ thuật đo tin học công nghiệp, viện Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tiến sỹ Lê Minh Thùy giúp tác giả định hướng đường học tập làm việc tác giả Tiếp theo, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến bạn Vũ Hồng Tiến, cựa sinh viên lab RF3I, viện Điện, Trường đại học Bách khoa Hà Nội cho phép tác giả sử dụng đồ án tốt nghiệp kỹ sư để phát triển thêm phần ứng dụng luận văn tác giả Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè tác giả, người giúp tác giả có hội phát triển ngày hơm Tóm tắt nội dung luận văn Luận văn tập trung nghiên cứu ăng-ten băng tần milimet có độ lợi cao sử dụng cơng nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất cho trạm thu phát gốc Đề xuất thiết kế ăng-ten combine vi dải dựa theo phân bố Taylor cho hiệu suất độ lợi cao cho ứng dụng milimet trạm thu phát gốc Luận văn chia thành chương Trong đó, Các chương trình bày theo nội dung sau: Chương 1: Cơ sở lý thuyết Chương tìm hiểu xu hướng phát triển trạm thu phát gốc mili-mét, kiến thức công nghệ ống dẫn sóng tích hợp SIW cho băng tần mili-mét chuyển đổi SIW đường vi dải, GCPW SIW, HFSIW sang SIW nhằm làm giảm tổn hao sai lệch chế độ lan truyền sóng cơng nghệ Ngồi tác giả cịn tìm hiểu số phân bố công suất hay sử dụng Schelkunoff Polynomial, Chebyshes, Taylor Chương 2: Ăng-ten băng tần milimet độ lợi cao Chương hai đề xuất cấu trúc ăng-ten đáp ứng yêu cầu độ lợi cao cho dải tần mili-mét đáp ứng trạm thu phát gốc Đề xuất tập trung vào tính tốn mơ ăng-ten lược theo phân bố Taylor ăng-ten mảng hai phần tử ăng-ten lược vi dải đề xuất Đề xuất thứ hai thiết kế ăng-ten dipole sử dụng cơng nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất cho trạm thu phát gốc Chương 3: Phát triển ăng-ten mảng cho ứng dụng định dạng búp sóng Chương trình bày mảng ăng-ten lược vi dải có định hình búp sóng sử dụng mạch dịch pha ma trận Butler 4x4 AFSIW Kết luận HỌC VIÊN (kí ghi rõ họ tên) Trương Thị Thêm MỤC LỤC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Xu hướng phát triển trạm thu phát gốc 1.1.1 Lịch sử phát triển ăng-ten trạm thu phát sóng 1.1.2 Xu hướng phát triển trạm thu phát gốc 1.2 tính Các phương pháp phân bố cơng suất cho ăng-ten mảng tuyến 1.2.1 Cơ sở lý thuyết mảng ăng-ten mảng tuyến tính 1.2.2 Phân bố Schelkunoff Polynomial 11 1.2.3 Phân bố Chebyshev 12 1.2.4 Phân bố Taylor 14 1.3 Cơng nghệ ống dẫn sóng tích hợp chất (SIW) 15 1.3.1 Cấu trúc chung ống dẫn sóng tích hợp chất 15 1.3.2 Nguyên lý phương pháp thiết kế 17 1.3.3 Ứng dụng công nghệ SIW 18 1.3.4 Đường chuyển đổi ống dẫn sóng chất (SIW) đường truyền vi dải GCPW 19 1.3.5 Công nghệ AFSIW, Slab-AFSIW 20 1.4 Kết luận 21 CHƯƠNG ĂNG-TEN BĂNG TẦN MILIMET ĐỘ LỢI CAO 22 2.1 Ăng-ten mảng lược theo phân bố Taylor 22 2.1.1 Cấu hình ăng-ten mảng lược 22 2.1.2 Ăng-ten mảng lược ống dẫn sóng 23 2.1.3 Ăng-ten lược vi dải 25 2.1.4 Ăng-ten lược vi dải đề xuất với phân bố Taylor quy trình thiết kế 26 2.1.5 Tính tốn kích thích sóng truyền cho ăng-ten lược vi dải đề xuất với phân bố Taylor 26 2.1.6 Mô ăng-ten lược vi dải đề xuất với phân bố Taylor 29 2.1.7 Mô mảng phần tử ăng-ten lược vi dải đề xuất 33 2.2 Ăng-ten dipole sử dụng cơng nghệ ống dẫn sóng chất 34 2.3 Kết luận 37 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN ĂNG-TEN MẢNG CHO ỨNG DỤNG ĐỊNH DẠNG BÚP SÓNG 38 3.1 Mục tiêu 38 3.2 Thiết kế mảng ăng-ten lược vi dải có điều hướng búp sóng 39 3.3 Kết luận 44 3.4 Hướng phát triển luân văn tương lai 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Q trình phát triển mảng ăng-ten trạm thu phát gốc[1] [2] Hình 1.2 Sử dụng lượng lớn ăng-ten để định dạng chùm tia tăng độ lợi [3] Hình 1.3 Minh họa tóm tắt tiêu kỹ thuật cho 5G quy định IUT [4] Hình 1.4 Các cơng nghệ cốt lõi cấu thành nên 5G [5] Hình 1.5 Phổ tần số ứng dụng kết nối vô tuyến [Ofcom] Hình 1.6 Vấn đề vật cản hấp thụ sóng mili-mét thị [5] Hình 1.7 Minh họa triển khai trạm smallcell cho mili-mét 5G [5] Hình 1.8 Minh họa cơng nghệ định hình búp sóng – Beamforming [6] Hình 1.9 So sánh chùm tia hệ thống di động (a) hệ thống di động cũ (b) hệ thống sử dụng công nghệ MIMO ăng-ten [7] Hình 1.10 Một mảng ăng-ten lớn chia thành mảng ăng-ten nhỏ [8] Hình 1.11 Nguyên tắc tổng hợp mảng [9] Hình 1.12 Hình ảnh mảng hai chiều theo mặt phảng x0y [4] 10 Hình 1.13 Mơ hình xạ chiều mảng ăng-ten chiều với khoảng cách khác [4] 10 Hình 1.14 Hệ số mảng phân bố Schelkunoff Polynomial [11] 12 Hình 1.15 minh họa cho đa thức Chebyshev [12] 13 Hình 1.16 Hệ số mảng theo phân bố Schebyshev [12] 14 Hình 1.17 Khơng gian mẫu Taylor Tα (u, A, n ) phân bố độ với α =0 (nét đứt) α =1(nét liền) với n =5 mức sidelobe 10, 15, 20 25 dB [13] 15 Hình 1.18 Khơng gian mẫu Taylor Tα (u, A, n ) phân bố độ với α =0 (nét đứt) α =1(nét liền) với n =10 mức sidelobe 20 dB [13] 15 Hình 1.19 Cấu trúc SIW 16 Hình 1.20 a) Chế độ TE10 TE20 cấu trúc SIW [16] b) TE10 SIW dạng 2D 16 Hình 1.21 Mặt cắt ngang SIW 17 Hình 1.22 Phân bố điện trường chế độ ưu a) SIW b) Đường truyền vi dải 19 Hình 1.23 Cấu trúc đường chuyển đổi vi dải hình nón (taper) 19 Hình 1.24 Cấu trúc chuyển đổi GCPW sang SIW 20 Hình 1.25 Cấu trúc AFSIW 21 Hình 2.1 Cấu trúc ăng-ten mảng lược 23 Hình 2.2 Cấu trúc ăng-ten mảng lược ống dẫn sóng gồm nhiều ống dẫn sóng [24] 24 Hình 2.3 Cấu hình khe dẫn sóng với khoang kết thúc mở [24] 24 Hình 2.4: Cấu trúc ăng-ten lược vi dải với cấu trúc khe khủ phản xạ 25 Hình 2.5: Mối quan hệ công suất xạ, công suất truyền dẫn công suất đầu vào 28 Hình 2.6 Bộ số độ hệ số coupling phần tử xạ theo vị trí cho mức sidelobe SLL=-20db 29 Hình 2.7 Cấu trúc phần tử xạ cá heo 29 Hình 2.8 Hệ số S11 phần tử xạ 30 Hình 2.9 Mối quan hệ độ rộng phần tử xạ hệ số coupling 31 Hình 2.10 Ăng-ten vi dải chữ nhật 31 Hình 2.11: Ăng-ten lược vi dải đề xuất theo phân bố Taylor 31 Hình 2.12 Hệ số phản xạ S11 ăng-ten lược vi dải đề xuất 32 Hình 2.13 Đồ thị xạ 3D 32 Hình 2.14 Đồ thị xạ ăng-ten lược vi dải đề xuất cắt theo mặt phẳng 33 Hình 2.15 Mảng ăng-ten phần tử lược vi dải xuất 33 Hình 2.16 Hệ số S11 mảng ăng-ten phần tử lược vi dải xuất 33 Hình 2.17 Đồ thị xạ mảng ăng-ten lược vi dải đề xuất cắt theo mặt phẳng 34 Hình 2.18 Cấu trúc ăng-ten dipole sử dụng cơng nghệ ống dẫn sóng chất 35 Hình 2.19 hệ số phản xạ S11 ăng-ten dipole sử dụng công nghệ SIW 36 Hình 3.1 Mơ hình mảng ăng-ten có điều hướng búp sóng ma trận butler 38 Hình 3.2 Ma trận Butler 4x4 AFSIW- kết đồ án cựu sinh viên Vũ Hồng Tiến lab RF3I – viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội 39 Hình 3.3 Hệ thống mảng bốn ăng-ten lược phần tử vi dải dịch pha 39 Hình 3.4 Bộ chuyển đổi từ AFSIW sang SIW 40 Hình 3.5 Bộ chuyển đổi SIW sang đường vi dải 40 Hình 3.6 Cấu trúc hồn chỉnh chuyển đổi AFSIW sang đường vi dải 41 Hình 3.7 Hệ số S chuyển đổi AFSIW sang đường vi dải 41 Hình 3.8 Cấu trúc ăng-ten có kết hợp mạch dịch pha cho ứng dụng định dạng búp sóng 42 Hình 3.9 Hệ số phản xạ mảng phần tử ăng-ten lược vi dải có định dạng búp sóng 43 Hình 3.10 Hệ số cách ly cổng đầu vào 44 Hình 3.11 Đồ thị xạ mảng ăng-ten phần tử lược vi dải 44 Hình 3.12 Đồ thị xạ mảng ăng-ten lược có điều chỉnh búp sóng hoàn chỉnh 44 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Bảng So sánh với nghiên cứu ăng-ten lược vi dải khác 34 Bảng 2 Một số nghiên cứu ăng-ten SIW dải tần 28GHz 36 DANH MỤC VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 3G/4G/5G 3rd, 4th, 5th Generation Công nghệ truyền tin không dây hệ 3/4/5 NR New Radio Sóng vơ tuyến UL/DL uplinh/downlink Tuyến lên, tuyến xuống eMBB enhanced Mobile Broadband Băng thông di động cao mMTC massive Machine Type Communications Truyền thông kiểu máy lớn URLLC Ultra-reliable lowlatency communication Truyền thông độ trễ thấp siêu đáng tin cậy MIMO multi input, multi output Hệ thống nhiều đầu vào, nhiều đầu AF Array Factor Hệ số mảng SIW Substrate Integrated Waveguide Ống dẫn sóng tích hợp chất AFSIW Air-Filled Substrate Integrated Waveguide Ống dẫn sóng tích hợp chất làm đầy khơng khí BFN Beamforming Network Mạng cấp tín hiêu cho mảng ăng-ten kỹ thuật định hình búp sóng RWG Rectangular Waveguide Ống dẫn sóng hình chữ nhật TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TE Transverse Electric Điện trường ngang TEM Transverse Electromagnetic Điện từ trường ngang PCB Transverse Electromagnetic Bảng mạch in LTCC Low temperature Cofired ceramic Gốm đồng nung nhiệt độ thấp số trung tâm Vì lượng theo hướng truyền sóng (dọc theo cấu trúc SIW) mạnh hơn, nên chiều dài độ dọc dài độ ngang 0,6mm Điều đảm bảo cân lượng hai nguồn ảo cho miếng kim loại [27] Hình 2.18 Cấu trúc ăng-ten dipole sử dụng cơng nghệ ống dẫn sóng chất Tất miếng vá xạ thiế kế lớp chất 2, bao gồm bốn miếng kim loại bốn hình chữ V thông qua bao bọc hốc SIW hình vng Số lượng trụ kim loại nối miếng kim loại với lớp kim loại tăng theo chiều dọc kích thước độ theo hướng khác Độ dày lớp 0,8mm Ngồi kích thước hiển thị phần trước, kích thước chi tiết ăng-ten cịn lại tối ưu hóa: lc1 = 3,5mm, wc1 = 1,3mm, wp = 2,2mm, w1 = 1,3mm, L1 = 7,4mm Trong Hình 2.19, ăng-ten lưỡng cực điện Magneto đề xuất đạt băng thơng mơ 14% (với S11