(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu giải pháp giảm thiểu tác động tương hỗ sử dụng phần tử ký sinh trên anten mimo đa băng

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN VĂN TÂN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG TƯƠNG HỖ SỬ DỤNG PHẦN TỬ KÝ SINH TRÊN ANTEN MIMO ĐA BĂNG ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2023 i HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN VĂN TÂN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG TƯƠNG HỖ SỬ DỤNG PHẦN TỬ KÝ SINH TRÊN ANTEN MIMO ĐA BĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 8.52.02.08 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VIỆT HƯNG HÀ NỘI - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tất nội dung đề tài Đề án “Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu tác động tương hỗ sử dụng phần tử ký sinh anten MIMO đa băng” nghiên cứu độc lập hướng dẫn, bảo, góp ý TS Nguyễn Việt Hưng, giảng viên Khoa Viễn thông 1, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Kết thể đề án trung thực khơng chép hình thức Các tài liệu tham khảo đề án trích dẫn đầy đủ, rõ ràng Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với nội dung hình thức đề án Tác giả đề án Nguyễn Văn Tân ii LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Việt Hưng thầy cô giáo khoa Viễn Thông Khoa sau đại học – Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng hỗ trợ, góp ý, bảo tồn trình thực đề án Đề án kết nỗ lực học hỏi, phấn đấu, khắc phục khó khăn bảo, giúp đỡ tận tình giảng viên hướng dẫn Tơi xin cảm ơn gia đình bạn bè tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khố học cách tốt Sau cùng, xin cảm ơn anh chị bạn học viên lớp M21CQTE01B sát cánh đồng hành q trình học tập tại trường hồn thành đề án Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Học viên thực Nguyễn Văn Tân iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU x LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI VÀ HỆ THỐNG ANTEN MIMO 1.1 Anten vi dải 1.1.1 Cấu tạo anten vi dải .3 1.1.2 Nguyên lý hoạt động anten vi dải 1.1.3 Sóng cấu trúc anten vi dải 1.1.4 Các thông số anten vi dải .5 1.1.5 Ưu điểm, nhược điểm anten vi dải 10 1.2 Tổng quan anten MIMO 11 1.2.1 Khái niệm 11 1.2.2 Đặc điểm 12 1.3 Ảnh hưởng tương hỗ anten MIMO 13 1.3.1 Tương hỗ chế độ phát .13 1.3.2 Tương hỗ chế độ thu .14 1.3.3 Tương hỗ anten patch hình chữ nhật 15 1.4 Các tham số anten MIMO .20 iv 1.5 Kết luận chương 21 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP GIẢM ẢNH THIỂU HƯỞNG TƯƠNG HỖ GIỮA CÁC PHẦN TỬ TRONG ANTEN MIMO 22 2.1 Các kỹ thuật giảm ảnh thiểu ảnh hưởng tương hỗ anten MIMO 22 2.1.1 Sử dụng mạng cách ly 22 2.1.2 Sử dụng cấu trúc mặt đất khuyết DGS 24 2.1.3 Sử dụng cấu trúc EBG .26 2.2 Sử dụng cấu trúc phần tử ký sinh để cải thiện độ cách ly cho anten MIMO 30 2.3 Kết luận chương 33 CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC PHẦN TỬ KÝ SINH ỨNG DỤNG CHO GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG TƯƠNG HỖ TRONG ANTEN FIBONACCI BA BĂNG TẦN 34 3.1 Lựa chọn công nghệ dải tần hoạt động anten 34 3.2 Tổng quan dãy số FIBONACCI 35 3.2.1 Cấu trúc toán học cấu trúc Fibonacci tự nhiên .35 3.2.2 Ứng dụng dãy số Fibonacci đời sống 39 3.3 Anten FIBONACCI – PIFA 40 3.3.1 Thiết kế anten 40 3.3.2 Phân tích kết mô 42 3.3.3 Kết thực nghiệm .43 3.4 Đề xuất cấu trúc phần tử ký sinh ứng dụng cho giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ anten MIMO FIBONACCI – PIFA .45 3.4.1 Anten MIMO FIBONACCI sử dụng cấu trúc phần tử ký sinh .45 3.4.2 Phân tích kết mơ 47 v 3.4.3 Kết thực nghiệm .49 3.5 Kết luận chương 55 KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 57 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 vi DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt 4G 4th Generation Thế hệ mạng di động thứ 5G 5th Generation Thế hệ mạng di động thứ BLE Bluetooth Low Energy Bluetooth công suất thấp DGS Defected Ground Structure EBG Electromagnetic Band Gap ECC Envelop Correlation Coefficient EPC Electrical Product Code FDTD Finite-difference time-domain GPS Global Positionning System HAC Hearing Aid Compability IoT Internet of Thing LTE Long Term Evolution LTE-A Long Term Evolution Advanced MIMO Multi Input, Multi Output RF Radio frequency Cấu trúc mặt phẳng đất khơng hồn hảo Cấu trúc dải chắn điện từ Hệ số tương quan đường bao Mã điện tử cho sản phẩm Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian Hệ thống định vị toàn cầu Tương thích thiết bị trợ thính Hệ thống vạn vật kết nối internet Công nghệ truyền thông di động hệ thứ LTE cải tiến Nhiều đầu vào, nhiều đầu Tần số vô tuyến vii RFID RSSI Radio Frequency Identification Received Signal Strength Indicator SAR Specific Absorption Rate SNR Signal to noise ratio Nhận dạng tần số vô tuyến Cường độ tín hiệu thu Mức độ hấp thụ sóng điện từ người Tỷ lệ tín hiệu tạp âm vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu trúc đơn giản anten vi dải Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động anten vi dải Hình 1.3: Sóng anten vi dải Hình 1.4: Đồ thị S11 anten Hình 1.5: Ảnh hưởng thông số thiết kế anten tới độ rộng băng thơng Hình 1.6: Hiệu điện tín hiệu đường truyền sóng Hình 1.7: Đồ thị độ lợi anten 10 Hình 1.8: Thiết bị điện thoại di động với anten vi dải 11 Hình 1.9: Các chế khác hệ thống anten MIMO 12 Hình 1.10: Tương hỗ chế độ phát hai anten m n 13 Hình 1.11: Tương hỗ chế thu hai anten m n 15 Hình 1.12: Mặt phẳng E H tiếp điện cáp đồng trục anten patch hình chữ nhật 16 Hình 1.13: Đồ thị so sánh ảnh hưởng tương hỗ hai anten patch mặt phẳng E với chất khác 17 Hình 1.14: Đồ thị so sánh ảnh hưởng tương hỗ hai anten patch mặt phẳng H với chất khác 18 Hình 1.15: Sự phân bố trường mặt phẳng E anten patch 19 Hình 1.16: Sự phân bố trường mặt phẳng H anten vi dải có độ dày chất mm 19 Hình 2.1: Mạng cách ly sử dụng phần tử điện kháng 22 Hình 2.2: Anten MIMO sử dụng mạng cách ly 23 Hình 2.3: Kết mô thực nghiệm tổn hao hệ số cách ly anten MIMO khơng có mạng cách ly 23 Hình 2.4: Kết mơ thực nghiệm tổn hao hệ số cách ly anten MIMO có mạng cách ly 24 Hình 2.5: (a) Cấu trúc DGS chữ I, tham số tán xạ S (b) mạch tương đương cấu trúc lọc thông thấp Butterworth cực 26 46 Hiện có nhiều nghiên cứu việc giảm tương hỗ anten MIMO [1]-[15] Các thí nghiệm với thiết kế ô đơn vị cấu trúc ký sinh sử dụng hình vng cho thấy giảm tương hỗ anten cho dải hẹp anten MIMO Để cải thiện điều này, cấu trúc ô đơn vị đề xuất bao gồm hình chữ thập bốn hình vng với khe có độ dài thay đổi dần giúp cấu trúc đề xuất tạo L Và C khác Từ cấu trúc đơn vị đề xuất giảm tương hỗ nhiều băng tần minh họa Hình 3.17 Cấu trúc anten MIMO FI-PIFA: Bao gồm hai phần tử anten đơn FI-PIFA với khoảng cách hai phần tử anten đơn tính từ đường tiếp điện đến đường tiếp điện 36.1 mm (0,288) Hoặc tính từ mép anten đơn đến anten đơn mm (0,072) Để giảm tương hỗ phần tử anten MIMO cho ba băng tần, mảng 1x2 cấu trúc kí sinh đề xuất đặt anten thể hình 3.18 (a) Mặt xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 3.18: Thiết kế anten MIMO sử dụng cấu trúc ký sinh đối xứng Bảng 3.2 Trình bày kích thước chi tiết anten MIMO Có thể thấy anten MIMO có kích thước nhỏ gọn 4,8  68,2  1,6mm3 47 Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) a 68,2 e 0,75 b 34,8 f c 36,1 g 0,25 đ h 2,88 Bảng 3.2: Chi tiết Giá trị kích thước Anten MIMO 3.4.2 Phân tích kết mô Kết mô S11 S12 tham số anten MIMO ba băng tần cấu trúc ký sinh đối xứng thể Hình 3.19 với khoảng cách patch xạ mm Có thể quan sát thấy khoảng cách gần phần tử anten MIMO, S12 tất dải băng tần hoạt động cao nhiều - 20 dB Hình 3.19: Giá trị tham số S11 S12 khơng có cấu trúc ký sinh đối xứng Ngoài ra, ảnh hưởng tương hỗ lẫn nhau, có biến dạng đồ thị 2D anten MIMO, hình dạng chúng thể Hình 3.20 48 (a) Tại 2,4 GHz (b) Tại 3,5 GHz (c) Tại GHz Hình 3.20: Đồ thị 2D anten MIMO khơng có cấu trúc ký sinh đối xứng 49 Với việc sử dụng đề xuất cấu trúc ký sinh đối xứng đề cập trên, khả cách ly anten MIMO cải thiện rõ rệt, đặc biệt băng tần hoạt động Mặt khác, cấu trúc đơn giản nhỏ gọn nên dễ dàng đặt vị trí khác anten MIMO để thí nghiệm Nó áp dụng thiết kế anten MIMO khác Các tham số S anten MIMO đề xuất sử dụng cấu trúc ký sinh đối xứng thể Hình 3.21 Khoảng cách phần tử xạ giữ mức mm Có thể thấy việc cách ly anten MIMO sử dụng cấu trúc ký sinh đối xứng chặn ba hoạt động băng tần, đặc biệt 2,4 GHz S21 bị giảm tới 60dB Tương tự, tần số 3,5 GHz 13,8 dB tần số GHz 5,7 dB Hình 3.21: Giá trị S11 S12 anten MIMO có không cấu trúc ký sinh đối xứng 3.4.3 Kết thực nghiệm Mẫu anten MIMO đề xuất chế tạo đế FR4 có độ dày 1,6mm thể Hình 3.22 Có thể thấy anten MIMO đề xuất đạt kích thước nhỏ gọn 34,8 x 68,2 x 1,6 mm Kích thước miếng patch hình trịn nhỏ với diện tích xấp xỉ 232 mm 50 (a) Mặt patch (b) Mặt đất Hình 3.22: Anten MIMO chế tạo So sánh kết đo mô hệ số phản xạ anten MIMO vẽ phần mềm Matlab Hình 3.23 Anten MIMO có tần số cộng hưởng khoảng 2,4 GHz, 3,5 GHz 4,8 GHz với độ rộng băng tần lớn Chúng chiếm 10% băng tần 2,4 GHz , % băng tần 3,5 GHz 14 % băng tần GHz Các kết đo mô tương đối giống Ngồi ra, từ Hình 3.23, tham số S12 ba dải -20 dB kiếm chứng cấu trúc ký sinh đối xứng đề xuất Do đó, cấu trúc đề xuất cải thiện khả cách ly anten MIMO ba băng tần Hình 3.23: So sánh tham số S đo mơ anten MIMO 51 • Kết thử nghiệm dựa hệ thống 802.11 Hai tham số hiệu suất khác anten đề xuất SNR (Tỷ lệ tín hiệu tạp âm) RSSI (Cường độ tín hiệu thu) thể thu Wi-Fi mơ Hình 3.24 Những tham số mà anten đề xuất nhận so sánh với kết anten lưỡng cực khuếch đại 2dB thường sử dụng cho ứng dụng Wi-Fi Thử nghiệm thực ngồi trời, khơng có vật cản hai điều kiện thời tiết nắng mưa nhỏ Khoảng cách thu tín hiệu từ đến 100m (70m trời mưa) với điểm đo cách 10m Hình 3.24: Thiết lập thử nghiệm anten đề xuất Như thể Hình 3.25, với thời tiết nắng khơ , anten MIMO đề xuất có cường độ tín hiệu tốt hai dải khoảng cách gần (từ đến 30m) anten đơn có cường độ tín hiệu thu tốt khoảng cách xa Kết SNR hai băng tần trình bày Hình 3.26 Trên băng tần 2,4GHz, kết anten MIMO giống với kết anten lưỡng cực anten Fibonacci đơn có kết tốt Kết SNR băng tần 5GHz giống kết RSSI Bên cạnh đó, anten MIMO đề xuất hoạt động tốt khoảng cách gần anten đơn đề xuất hoạt động tốt khoảng cách xa Như vậy, điều kiện thời tiết nắng khô , hai anten đề xuất cho kết giống tốt số khoảng cách so sánh với anten Dipole 52 (a) Tại 2,4GHz (b) Tại 5GHz Hình 3.25: RSSI trời nắng khô 53 (a) Tại 2,4GHz (b) Tại 5GHz Hình 3.26: SNR thời tiết nắng khô Trong điều kiện trời mưa, kết tham số RSSI SNR thể Hình 3.27 Hình 3.28 Có thể thấy hai băng tần, anten Dipole có cường độ tín hiệu tốt so với hai anten đề xuất khoảng cách gần 54 khoảng cách xa (a) Tại 2,4GHz (b) Tại 5GHz Hình 3.27: RSSI trời mưa Ở băng tần 2,4GHz, anten lưỡng cực có kết SNR tốt khoảng cách 55 gần, anten Fibonacci đơn đạt SNR tốt khoảng cách xa anten MIMO Fibonacci có kết (a) Tại 2,4GHz (b) Tại 5GHz Hình 3.28: SNR trời mưa 3.5 Kết luận chương Nội dung chương trình bày tổng quan truyền cơng nghệ lựa chọn 56 băng tần hoạt động cho anten đề xuất, tổng quan dãy số Fibonacci ứng dụng thiết kế anten Từ đề xuất anten MIMO ba băng tần nhỏ gọn với tám vòng xoắn ốc Fibonacci chẻ mặt patch hình trịn anten tạo thành anten Fibonacci Tại trung tâm patch tròn, shorting pin kéo dài kết hợp với cấu trúc ký sinh đối xứng tạo nên cấu trúc anten MIMO đề xuất Cấu trúc anten MIMO tổng thể đạt kích thước nhỏ gọn 34,8 x 68,2x1,6 mm3 Ba dải băng tần anten MIMO hoạt động đạt băng thông rộng 277,5 MHz 2,4 GHz, 315 MHz 3,5 GHz 675 MHz GHz Do đó, thiết kế anten phù hợp cho truyền thông không dây ứng dụng 5G Wi-Fi Hơn , cách sử dụng cấu trúc ký sinh đối xứng, anten đạt hiệu suất xạ cực cao mức tăng cao Mặt khác , khoảng cách hẹp 0,072λ tần số cộng hưởng 2,4 GHz hai phần tử xạ, độ cách ly giữ mức -20 dB cho ba dải Sự đồng mô kết đo chứng minh cho thiết kế 57 KẾT LUẬN ĐỀ TÀI Nội dung đề tài “Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu tác động tương hỗ sử dụng phần tử ký sinh anten MIMO đa băng” đạt kết sau: − Tổng quan anten vi dải hệ thống anten MIMO: đưa khái niệm, cấu tạo, đặc tính đặc trưng, tham số anten vi dải anten MIMO − Nghiên cứu giải pháp giảm ảnh thiểu hưởng tương hỗ phần tử anten MIMO: đưa kỹ thuật sử dụng phổ biến mạng cách ly, cấu trúc mặt đất khuyết DGS, cấu trúc EBG Đặt biệt Phương pháp sử dụng cấu trúc phần tử ký sinh nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu nước đơn giản để tích hợp vào mạch điện tử thiết bị đầu cuối đồng thời giúp giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ anten MIMO − Đề xuất cấu trúc phần tử ký sinh ứng dụng cho giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ anten Fibonacci ba băng tần: Đã đưa nhìn tổng qt cơng nghệ băng tần sử dụng cho truyền thông 5G IoT Anten thiết kế sử dụng cấu trúc hình hoc Fibonacci kết hợp với shorting pin cải tiến anten PIFA tạo anten đa băng tần cộng hưởng Anten có kích thước nhỏ gọn 37,2 x 30,4 x 1,6 mm3 giảm đến 73% kích thước so với anten truyền thống Đồng thời đề xuất cấu trúc phần tử kí sinh đối xứng để giảm tương hỗ anten MIMO Khi cấu trúc đề xuất giảm tương hỗ đồng thời băng tần hoạt động anten Đặc biệt tần số cộng hưởng băng thứ 2,4 GHz giảm tới 60 dB − Kết nghiên cứu đề tài phần công bố: Nguyen Van Tan, Duong Thi Thanh Tu, Nguyen Viet Hung, Hoang Minh Duc, “Achieving a High Isolation for the Triple-band MIMO Antenna in 5G/ Wi-Fi Applications using Symmetric Parasitic Structure”, Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal Vol 8, No 2, 139-147 (2023ASTESJ-ISI/Q3) 58 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.M Saleh, K.H Sayidmarie, R.A Abd-Alhameed, SMR Jones, J.M Noras, P.S Excell, “Compact Tri-Band MIMO Antenna with High Port Isolation for WLAN and WiMAX Applycations”, 2016 Loughborough Antennas & Propagation Conference (LAPC), pp.1-4, November 2016 [2] Balanis C.A, “Antenna Theory: Analysis and Design,” Edition 3rd, Wiley, 2005 [3] Batchingis Bayarzaya, Niamat Hussain, Wahaj Abbas Awan, Md Abu Sufian, Anees Abbas, Domin Choi, Jaemin Lee, and Nam Kim, "A Compact MIMO Antenna with Improved Isolation for ISM, Sub-6 GHz, and WLAN Application", Micromachines, 2022, 13, 1355, doi: 10.3390/mi13081355 [4] Bazil Taha Ahmed, Darío Castro Carreras, Eduardo Garcia Marin, "Design and Implementation of Super Wide Band Triple Band‑Notched MIMO Antennas", Wireless Personal Communications, 2021, 121:2757–2778, doi: 10.1007/s11277021-08847-9 [5] Chetna Sharma, Dinesh Kumar Vishwakarma, “Miniaturization of Spiral Antenna Based on Fibonacci Sequence Using Modified Koch Curve”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Volume 16 (2017) [6] E A Andrade-González , J A Tirado-Méndez , H Jardón-Aguilar , M Reyes-Ayala , A Rangel-Merino & Michael Pascoe-Chalke, "UWB four ports MIMO antenna based on inscribed Fibonacci circles", Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2021, DOI:10.1080/09205071.2021.1873196 [7] Jing Luo, Peihua Wang, Xiaochen Chen, "Design of Compact Tri-Band MIMO Antenna Using Decoupling Structures for 5G Mobile Terminals," 2021 Cross Strait Radio Science and Wireless Technology Conference (CSRSWTC), pp.43-45, 2021 [8] Leonardo Lyzzi, Fabien Ferrero, Christophe Danchesi, Stephane Boudaud, 59 "Design of Antennas Enablyng Miniature and Energy Efficient Wireless IoT Devices for Smart Cities", 2016 IEEE International Smart Cities Conference (ISC2), p1-5, 2016 [9] M M H Mahfuz et al.: "Wearable Textile Patch Antenna: Challenges and Future Directions", IEEE Access, 2022, vol.10, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3161564 [10] Muhammad Usman et al , "Highly Isolated Compact Tri-Band MIMO Antenna with Trapezoidal Defected Ground Plane for 5G Communication Devices.", 2020 International Conference on UK-China Emerging Technologies (UCET), 2020 [11] Omar Faruque, Md Saiful Islam, Md Sarwar Uddin Chowdhury, and A.K.M Abdur Rahman Chowdhury, "A Four-element Triple-band MIMO Antenna for 5G Smartphone Applications," 2nd International Conference on Sustainable Technologies for Industry 4.0 (STI),.2020 [12] Preeti Sharma, Rakesh N Tiwari, Prabhakar Singh, Pradeep Kumar, and Binod K Kanaujia, "Review MIMO Antennas: Design Approaches, Techniques and Applications", Sensors, (20), 7813, October 2022, doi:10.3390/s22207813 [13] R Liu et al.: "Neutralization Line Decoupling Tri-Band MIMO Antenna Design", IEEE Access, 2020, Vol.8, pp.27018 - 27026, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2971038 [14] Srinivasa Rao Pasumarthi, Jagadeesh Babu Kamili, Mallikarjuna Prasad Avala, "Design of Tri‑Band MIMO Antenna with Improved Isolation using DGS and Vias", Wireless Personal Communications, 2019, doi: 10.1007/s11277-019-06799-9 [15] Xia Cao, Yingqing Xia, Ling Wu, and Xiaolin Wu, "Tri-band MIMO antenna design based on characteristic modes manipulation”, International Journal of Electronics and Communications, 2022, 155, 154318 doi: 10.1016/j.aeue.2022.154318 [16] Zhengyi, Zhengwei, Takahashi, Saito, and Ito (2012), "Reducing Mutual 60 Coupling of MIMO Antennas With Parasitic Elements for Mobile Terminals," IEEE Transactions on Antennas and Propagation vol 60, pp 473-481 [17] Sarthak Gupta, Tushar Arora, Deepak Singh and Krishan Kumar Singh, “Nature Inspired Golden Spiral Super-Ultra Wideband Microstrip Antenna”, 2018 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC), 2018, pp 1603–1605