Nghiên cứu thiết kế mẫu anten có độ lợi cao dùng trong truyền thông điểm – điểm

nghiên cứu thiết kế mẫu anten có độ lợi cao dùng trong truyền thông điểm – điểmTĂNG THẾ TOAN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TĂNG THẾ TOAN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẪU ANTEN CÓ ĐỘ LỢI CAO DÙNG TRONG TRUYỀN THÔNG ĐIỂM – ĐIỂM LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TĂNG THẾ TOAN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẪU ANTEN CÓ ĐỘ LỢI CAO DÙNG TRONG TRUYỀN THÔNG ĐIỂM – ĐIỂM Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Hà Nội - 2011 5 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 3 LỜI CAM ĐOAN 4 MỤC LỤC 5 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7 DANH MỤC HÌNH VẼ 8 DANH MỤC BẢNG BIỂU 10 MỞ ĐẦU 11 CHƢƠNG 1 12 KHÁI QUÁT VỀ CÁC HỆ THỐNG ANTEN ĐỘ LỢI CAO 12 1.1. Các hệ anten độ lợi cao trong thông tin điểm-điểm 12 1.1.1. Khái niệm chung 12 1.1.2. Các đặc tính quan trọng của anten độ lợi cao 13 1.1.3. Anten Yagi (Yagi antenna) 14 1.3.4. Anten Loa (Horn Antenna) 16 1.1.5. Anten thấu kính (Lens Antenna) 17 1.1.6. Anten parabol (Parabol Antenna) 18 1.1.7. Anten mảng (Aray Antenna) 19 1.1.8. Tổng quan các hệ anten độ lợi cao 19 1.2. Hệ anten mới có độ lợi cao: Anten có cấu trúc đặc biệt EBG (Electromagnetic Band Gap) 21 1.2.1 Giới thiệu anten có cấu trúc đặc biệt EBG 21 1.2.2. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của anten EBG 21 1.3. Kết luận chương 1 22 Chƣơng 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ANTEN CÓ CẤU TRÚC ĐẶC BIỆT EBG 23 2.1. Vật liệu có cấu trúc đặc biệt EBG 23 2.1.1. Giới thiệu về vật liệu EBG 23 2.1.2. Định lí Bloch và đồ thị tán sắc 24 2.1.3. Các phƣơng pháp mô hình hóa cấu trúc EBG 26 2.1.4. Ứng dụng của EBG trong thiết kế Anten 27 2.2. Cấu tạo của anten EBG 30 2.3. Nguyên lý hoạt động của anten EBG 31 2.3.1. Mô hình anten EBG 31 2.3.2. Nguyên lý hoạt động của Anten EBG 35 2.4. Kết luận chương 2 41 Chƣơng 3 42 6 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG ANTEN EBG DÙNG TRONG TRUYỀN THÔNG ĐIỂM-ĐIỂM 42 3.1. Yêu cầu thiết kế 44 3.1.1. Thông số đầu vào 44 3.1.2 Lựa chọn mô hình thiết kế 44 3.2. Quy trình thiết kế 45 3.2.1 Thiết kế bề mặt bán phản xạ: 45 3.2.2 Các thông số thiết kế về kích thƣớc của hộp cộng hƣởng 46 3.3. Mô phỏng dựa trên phần mềm 4NEC2 47 3.3.1 Giới thiệu phần mềm 4NEC2 47 3.3.2 Thiết kế anten trên 4NEC2 49 3.3.3 Đặc tính phối hợp trở kháng 52 3.3.4 Các đặc tính kỹ thuật khác của Anten 53 3.4. Kết luận chương 3 55 KẾT LUẬN CHUNG 57 1. Đóng góp của đề tài 57 2. Hướng phát triển của đề tài trong tương lai 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẪU ANTEN CÓ ĐỘ LỢI CAO DÙNG TRONG TRUYỀN THÔNG ĐIỂM-ĐIỂM Học viên: Tăng Thế Toan Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Khoa: Điện tử - Viễn thông Email: tgt.hcet@gmail.com Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Cơ quan công tác: Khoa Điện tử - Viễn thông Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Email: giangtvb@vnu.edu.vn Anten là một phần tử không thể thiếu được trong mọi hệ thống thông tin liên lạc vô tuyến. Anten có độ lợi cao là loại anten có khả năng phát sóng tập trung vào một hướng nhất định và duy nhất, nó cho phép hệ thống truyền thông ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu đến từ các hướng khác, cho phép tăng cự li thông tin, làm giảm giá thành chung của hệ thống viễn thông. Trong luận văn này, tôi tập trung vào một loại anten có độ lợi cao sử dụng trong truyền thông điểm-điểm: anten EBG (Electromagnetic Band Gap-Dải chắn điện từ). Đó là một loại anten mới trên thế giới và nó vẫn còn đang được phát triển và nghiên cứu. I. Khái quát về các hệ thống anten có độ lợi cao Trình bày khái quát các hệ anten có độ lợi cao ứng dụng trong truyền thông điểm- điểm và giới thiệu khái quát mẫu anten có độ lợi cao thế hệ mới: anten EBG. II. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của anten có cấu trúc đặc biệt EBG Trên cơ sở lí thuyết về cấu trúc vật liệu đặc biệt EBG và nguyên lí hộp cộng hưởng Fabry Perot, đề tài trình bày cấu tạo của mẫu anten EBG và tính toán lí thuyết các thông số hoạt động mẫu anten này. III. Thiết kế, mô phỏng anten EBG dùng trong truyền thông điểm-điểm Áp dụng những kiến thức khái quát và cơ sở lí thuyết đã trình bày trên đề tài đã xây dựng được qui trình thiết kế anten độ lợi cao: anten EBG dựa trên tiêu chí kĩ thuật đầu vào là độ lợi (gain) và tần số (frequency). Cuối cùng, mẫu thiết kế một anten EBG hoạt động với độ lợi 21 dB ở tần số làm việc khoảng 2.35GHz được trình bày và xác nhận bằng cách mô phỏng trên phần mềm ứng dụng 4NEC2. IV. Kết luận chung Kết quả mô phỏng bằng máy tính cho thấy mẫu anten này đã cải thiện được đáng kể những đặc tính kỹ thuật của một anten cao tần về đồ thị bức xạ, độ lợi so với trường hợp anten không sử dụng cấu trúc EBG. Đồng thời mẫu anten mới cũng thể hiện được những ưu điểm về hình dạng, kích thước hình học so với các anten có độ lợi cao hiện đang sử dụng. Đề tài có thể được triển khai ứng dụng trong các hệ thống truyền thông điểm-điểm, hay các ứng dụng cho anten trạm phát sóng BTS 3G, 4G, ứng dụng trong thông tin vệ tinh. TÀI LIỆU THAM KHẢO A. Tiếng Việt [1] Bộ môn Thông tin vô tuyến Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội (2008), Thực hành Kỹ thuật anten. [2] GS. TSKH Phan Anh (2007), Lí thuyết và kỹ thuật anten, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [3] Trần Thế Phương (2009), Thiết kế anten dùng trong công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng (UWB) sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt, Luận văn thạc sỹ, Đại học Bách Khoa Hà Nội. B. Tiếng Anh, Pháp [4] Shuch, H.P., A brief history, in The ARRL UHF/Microwave Experimenter's Manual, A.R.R. League, Editor. 1990, Newington CT: Newington. [5] Trentini, G.V., “Partially reflecting sheet arrays“. IRE Trans. On Antennas and Propagation, 1956. [6] Thevenot, M., "Directive Photonic- Bandgap Antennas". IEEE Trans. Antennas Propag, 1999. [7] Cyril Cheype, C.S., Marc Thèvenot, Thierry Monédière, Alain Reineix, et Bernard Jecko, An Electromagnetic Band Gap Resonator Antenna ". IEEE Trans. on Antennas.and Propagation, 2002. [8] L. Bernard, et al., "Novel superstrate gainenhanced antenna with lateral metallic walls" Microw. Opt. Tech. Lett, 2004. [9] M. Diblanc, et al., "Circularly Polarized Metallic EBG Antenna ". IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2005. [10] A. R. Weily, et al., "A Planar Resonator Antenna Based ona Woodpile EBG Material" IEEE Trans. on Antennas.and Propagation, 2005. [11] M. Thevenot, C. Cheype, A. Reineix, B. Jecko, "Directive photonic-bandgap antennas", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Volume: 47 Issue: 11, Novembre 1999. [12] Yeh, P., Optical Waves in Layered Media, ed. J.W. Son. 1988. [13] Brillouin, L., "Wave guides for slow waves". Journal of Appl. Phys., 1948. [14] Electromagnetic Band Gap (EBG) For Microstrip Antenna, Ainor Khaliah binti Mohd Isa, Universiti Teknologi Malaysia, MAY 2007. [15] Fan Yang, Yahya Rahmat-Samii (2008), Electromagnetic Band Gap Structures in Antenna Engieering, Cambrigde University Press, UK. [16] R. Gonzalo et al., “Enhanced patch antenna performance by suppressing surface waves using photonic bandgap substrates,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1999. [17] R. Gonzalo et al., "Radiation properties ot terahertz dipole antenna mounted on photonic crystal ". Electron. Lett, 2001. [18] G. Poilasne, P.P., K. Mahdjoubi, L. Desclos et C. Terret, “Antenna beam forming using active metallic photonic band-gap materials ”. IEEE APS99, 1999. [19] A. R. Weily, et al., "A Planar Resonator Antenna Based ona Woodpile EBG Material" IEEE Trans. on Antennas.and Propagation, 2005. [20] Sauleau, R., " Etude de résonateurs de Pérot-Fabry et d'antennes imprimées en ondes millimétriques. Conception d'antennes à faisceau gaussien ". 1999, Thèse de l'Université de Rennes 1: Rennes. [21] NEC based antenna modeler and optimizer by Arie Voors (http://home.ict.nl/~arivoors/) [22] Simulation of Wire antennas using 4NEC2, Author: Gunthard Kraus, Oberstudienrat, Elektronikschule Tettnang, Germany August 15 th , 2010. [23] Antenna Engineering, Peter Knott (http://www.ihf.rwth- aachen.de/fileadmin/lehre/AntennaEng ineering)./. RESEACH DESIGN HIGH-GAIN ANTENNAS IMPLEMENTING IN POINT-POINT COMMUNICATION Student name: Tang The Toan minor, major, Department: Electronics Engineering, Electronic Technology, Electronics and Telecommunication email: tgt.hcet@gmail.com Professor name: A.Prof. Dr. Truong Vu Bang Giang Affiliation: University of Engineering and Technology Email: giangtvb@vnu.edu.vn The antenna is an essential element in all radio communication systems. High-gain antenna is an antenna which is capable of broadcasting on a certain and unique direction, it allows communication system to be less susceptible to interference from other directions, to increase information distance, reducing the overall cost of telecommunications systems. In this thesis, I focus on a high-gain antenna used in point-point communication: EBG antenna (Electromagnetic Band Gap). This kind of antenna is new in the world and it is still in the stage of development and research. I. Overview about high – gain antenna applied in point-point The thesis, gives an overview about high – gain antenna applied in point-point communication and introduces briefly the new generation high-gain antenna: EBG antenna. II. Structure and principle of the antenna with EBG special structure On the basis of the theory on the structure of EBG special material and the principle of Fabry Perot resonator, the thesis presents the structure of the EBG antenna sample and calculates theoretically operating parameters of this antenna. III. Design, simulation EBG antennas implementing in point-point communication Applying the general knowledge and the theoretical basis presented above, the thesis has established the design procedures of the high- gain antenna: EBG antenna based on the technical input criteria: gain and frequency. Finally, the design sample of an EBG antenna operates with 21 dB gain at the working frequency around 2.35GHz is presented and verified by simulating on applied software 4NEC2. IV. General conclusions The results from computer simulations show that this kind of antenna has improved considerably the technical characteristics of a high frequency antenna in terms of radiation pattern and gain in comparison with the antenna without EBG structures. The new antenna also demonstrates the advantages of shape, geometric dimension compared with the high- gain antenna which is in use now. The thesis can be applied in the point - point communication system, or the application for broastcasting antenna stations BTS 3G, 4G, the applications of satellite communication. REFERENCES A. Vietnamese [1] Department of Information Science Radio Electronics and Telecommunications, University of Technology, Hanoi National University (2008), Antenna Engineering Practice. [2] GS. Prof. Phan Anh (2007), antenna theory and techniques, Publishing House of Science and Technology, Hanoi. [3] Tran Phuong (2009), Designing antennas used in wireless communications technology ultra-wide band (UWB) use structural materials in particular, Master Thesis, Hanoi University of Technology. B. English, French [4] Shuch, H.P., A brief history, in The ARRL UHF/Microwave Experimenter's Manual, A.R.R. League, Editor. 1990, Newington CT: Newington. [5] Trentini, G.V., “Partially reflecting sheet arrays“. IRE Trans. On Antennas and Propagation, 1956. [6] Thevenot, M., "Directive Photonic- Bandgap Antennas". IEEE Trans. Antennas Propag, 1999. [7] Cyril Cheype, C.S., Marc Thèvenot, Thierry Monédière, Alain Reineix, et Bernard Jecko, An Electromagnetic Band Gap Resonator Antenna ". IEEE Trans. on Antennas.and Propagation, 2002. [8] L. Bernard, et al., "Novel superstrate gainenhanced antenna with lateral metallic walls" Microw. Opt. Tech. Lett, 2004. [9] M. Diblanc, et al., "Circularly Polarized Metallic EBG Antenna ". IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2005. [10] A. R. Weily, et al., "A Planar Resonator Antenna Based ona Woodpile EBG Material" IEEE Trans. on Antennas.and Propagation, 2005. [11] M. Thevenot, C. Cheype, A. Reineix, B. Jecko, "Directive photonic-bandgap antennas", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Volume: 47 Issue: 11, Novembre 1999. [12] Yeh, P., Optical Waves in Layered Media, ed. J.W. Son. 1988. [13] Brillouin, L., "Wave guides for slow waves". Journal of Appl. Phys., 1948. [14] Electromagnetic Band Gap (EBG) For Microstrip Antenna, Ainor Khaliah binti Mohd Isa, Universiti Teknologi Malaysia, MAY 2007. [15] Fan Yang, Yahya Rahmat-Samii (2008), Electromagnetic Band Gap Structures in Antenna Engieering, Cambrigde University Press, UK. [16] R. Gonzalo et al., “Enhanced patch antenna performance by suppressing surface waves using photonic bandgap substrates,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1999. [17] R. Gonzalo et al., "Radiation properties ot terahertz dipole antenna mounted on photonic crystal ". Electron. Lett, 2001. [18] G. Poilasne, P.P., K. Mahdjoubi, L. Desclos et C. Terret, “Antenna beam forming using active metallic photonic band-gap materials ”. IEEE APS99, 1999. [19] A. R. Weily, et al., "A Planar Resonator Antenna Based ona Woodpile EBG Material" IEEE Trans. on Antennas.and Propagation, 2005. [20] Sauleau, R., " Etude de résonateurs de Pérot-Fabry et d'antennes imprimées en ondes millimétriques. Conception d'antennes à faisceau gaussien ". 1999, Thèse de l'Université de Rennes 1: Rennes. [21] NEC based antenna modeler and optimizer by Arie Voors (http://home.ict.nl/~arivoors/) [22] Simulation of Wire antennas using 4NEC2, Author: Gunthard Kraus, Oberstudienrat, Elektronikschule Tettnang, Germany August 15 th , 2010. [23] Antenna Engineering, Peter Knott (http://www.ihf.rwth- aachen.de/fileadmin/lehre/AntennaEngin eering)./. . và nghiên cứu. I. Khái quát về các hệ thống anten có độ lợi cao Trình bày khái quát các hệ anten có độ lợi cao ứng dụng trong truyền thông điểm- điểm và giới thiệu khái quát mẫu anten có độ. THỐNG ANTEN ĐỘ LỢI CAO 12 1.1. Các hệ anten độ lợi cao trong thông tin điểm- điểm 12 1.1.1. Khái niệm chung 12 1.1.2. Các đặc tính quan trọng của anten độ lợi cao 13 1.1.3. Anten Yagi (Yagi antenna). CÔNG NGHỆ TĂNG THẾ TOAN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẪU ANTEN CÓ ĐỘ LỢI CAO DÙNG TRONG TRUYỀN THÔNG ĐIỂM – ĐIỂM Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử