(Tóm tắt luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ăng ten tái cấu hình ứng dụng trong hệ thống giao thông thông minh

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN VĂN SANG NGHIÊN CỨU ĂNG-TEN TÁI CẤU HÌNH ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ HÀ NỘI - NĂM 2023 Đề án tốt nghiệp hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: …………………………………………………… (Ghi rõ học hàm, học vị) Phản biện 1: ……………………………………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………………………………… Đề án tốt nghiệp bảo vệ trước Hội đồng chấm đề án tốt nghiệp thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm LỜI MỞ ĐẦU Truyền thông phương tiện với thứ (V2X) với Hệ thống giao thơng thơng minh (ITS) đóng góp quan trọng cho lĩnh vực vận tải ngành công nghiệp tơ Do đó, số triển vọng giao thông vận tải, chẳng hạn hiệu giao thơng, an tồn cho người lái xe, giảm va chạm xe hơi, xe tự hành giao thông xanh (giảm tiêu thụ nhiên liệu lượng khí thải carbon) cải thiện thập kỷ qua, nhằm hướng tới phương tiện giao thông hiệu quả, giao thông vận tải chi phí thấp thân thiện với mơi trường cho hàng tỷ người dùng Việc tăng dung lượng hệ thống độ tin cậy liên kết truyền thông phương tiện với phương tiện (V2V) hai yêu cầu liên quan đến hiệu suất hệ thống ITS đại phải xem xét trình thiết kế ăngten Cho đến nay, phần lớn ăng-ten đề xuất cho ITS tương ứng với kiểu thơng thường có phần tử xạ (ăng-ten đơn cực, ăng-ten đơn cực in, PIFA) thường nằm vỏ vây cá mập mui xe tạo dạng chùm tia cố định (hầu hết đa hướng) Kỹ thuật MIMO, Beamforming đề xuất để giải thách thức nói đạt yêu cầu truyền thông V2X Tuy nhiên, phần lớn hệ thống ăng-ten bộc lộ số nhược điểm kích thước lớn, độ phức tạp cao giá thành cao Ăng-ten tái cấu hình (Reconfigurable Antenna) với khả tự thay đổi đồ thị xạ ứng cử viên lý tưởng để thay cho hệ thống nhiều ăng-ten khắc phục hạn chế kích thước, độ phức tạp chi phí ngành cơng nghiệp tơ áp đặt Khả cấu hình lại đồ thị xạ “tài sản” quan trọng truyền thông V2V giúp nâng cao hiệu suất hệ thống ITS dung lượng độ tin cậy Ăng-ten tái cấu hình lần giới thiệu vào năm 1981 Tuy nhiên vòng khoảng mười năm qua có nhiều cơng trình cơng bố ăng-ten tái cấu hình nhà nghiên cứu giới quan tâm mạnh mẽ, bao gồm ăng-ten tái cấu hình theo tần số, ăng-ten tái cấu hình theo đồ thị xạ, ăng-ten tái cấu hình theo phân cực hay kết hợp đặc tính Trên giới, có nhiều cơng trình nghiên cứu ăng-ten cho V2X; nhiên chủ yếu tập chung vào ăng-ten MIMO, ăng-ten mảng Ứng dụng ăng-ten tái cấu hình cho hệ thống giao thông thông minh truyền thông V2X lĩnh vực mẻ nhiều hứa hẹn Vì vậy, tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu Ăng-ten tái cấu hình ứng dụng hệ thống giao thông thông minh” với mục tiêu nghiên cứu, đề xuất cấu trúc ăng-ten tái cấu hình nhằm cải thiện tham số như: kích thước, tính đơn giản cấu trúc mạng phân cực cho điốt, hệ số tăng ích, tính độc lập theo hướng xạ cấu hình để áp dụng tích hợp vào phương tiện hệ thống giao thông thông minh tương lai Nội dung luận văn chia làm ba phần: Chương “Tổng quan ăng-ten ứng dụng hệ thống giao thông thông minh” Nội dung chương giới thiệu chức hoạt động ăng-ten hệ thống giao thông thông minh Đưa thách thức tồn mặt thiết kế ăng-ten làm tiền đề cho việc nghiên cứu đề xuất chương Chương “Thiết kế ăng-ten” Nội dung chương nghiên cứu lựa chọn kỹ thuật, phương pháp để thiết kế với đề xuất thiết kế ăng-ten tái cấu hình Ăng-ten thiết kế, mơ phỏng, phân tích đánh giá phần mềm thương mại hóa CST Chương “Đo kiểm đánh giá kết dựa kết thực nghiệm” Bên cạnh kết mô phỏng, luận văn hướng đến phân tích đánh giá ăng-ten đề xuất thực nghiệm để khẳng định giá trị nghiên cứu Nội dung trình bày chương bao gồm phương pháp đo kiểm ăng-ten mơ hình thực nghiệm CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĂNG-TEN ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH Hệ thống giao thông thông minh (ITS) ứng dụng công nghệ cảm biến, phân tích, điều khiển truyền thơng cho giao thông vận tải mặt đất nhằm cải thiện tính an tồn, tính di động hiệu Hệ thống giao thông thông minh bao gồm loạt ứng dụng xử lý chia sẻ thông tin để giảm tắc nghẽn, cải thiện quản lý giao thông, giảm thiểu tác động mơi trường tăng lợi ích giao thơng vận tải cho người dùng Chương I trình bày tổng quan ITS tập trung vào công nghệ truyền thông phương tiện với thứ (V2X) với mong muốn tóm tắt mơ hình truyền thơng tin quy định liên quan, hoạt động quan trọng thành công công nghệ Trọng tâm hệ thống đầu – cuối: Ăng-ten, thu phát chuyển đổi từ tương tự sang số hay số sang tương tự điểm phát triển hệ thống giao thông thông minh 1.1 1.1.1 Giới thiệu công nghệ V2X hệ thống giao thông thông minh Ý tưởng đời công nghệ V2X Mạng lưới đường phận lớn sở hạ tầng mà thành phố quan giao thông vận tải phải quản lý Trong thập kỷ qua, dân số gia tăng khiến mức độ giao thông đô thị tác động tiêu cực mà chúng mang lại cho thành phố tăng lên, gây áp lực lớn lên sở hạ tầng đường quan chức Tình trạng giao thơng q tải tắc nghẽn thành phố làm giảm chất lượng sống khu vực đô thị từ việc người dân có khơng gian để bộ, đạp xe đến việc mức độ ô nhiễm gia tăng, chất lượng khơng khí xấu Tình hình giao thơng đại dịch COVID19 cho thấy việc thay đổi tư thói quen người dân khó khăn Chỉ tỷ lệ nhiễm COVID-19 đỉnh cao, mức độ tham gia giao thông giảm đáng kể, chất lượng khơng khí trung tâm kinh tế đô thị cải thiện Nhưng dịch lắng xuống, xu hướng giao thông đông đúc tắc nghẽn quay trở lại nhanh chóng, số trường hợp, vượt mức trước đại dịch, lượng người phương tiện giao thông công cộng chưa trở lại bình thường, nhiều người tham gia giao thơng phương tiện cá nhân, làm trầm trọng thêm tình trạng tắc nghẽn Các giải pháp công nghệ quản lý giao thông phát triển chặng đường dài, đáp ứng nhu cầu cụ thể thành phố thúc đẩy toàn cầu hướng tới hệ sinh thái giao thông kết nối bền vững Sự đời công nghệ máy học V2X (Vehicle-to-everything), tích hợp cơng nghệ vào phương tiện, sở hạ tầng tảng quản lý giao thơng, giúp giải tốn quản lý giao thông, từ việc cải thiện mạng lưới giao thông đến thay đổi cách thành phố quy hoạch phát triển 1.1.2 Khái niệm V2X Thuật ngữ “V2X” (vehicle-to-everything) đề cập đến giao tiếp không dây phương tiện với thứ Hệ thống V2X nhằm cải thiện an toàn, thoải mái tiện lợi xe cách cho phép chúng giao tiếp với hầu hết thứ kết nối Trong truyền thơng V2X, phương tiện nhận tín hiệu truyền không dây từ phương tiện di chuyển khác, từ tín hiệu giao thơng, từ mạng báo cáo thời tiết chí từ người xe đạp người để hiểu rõ tương tác với giới xung quanh Hiện có hai tiêu chuẩn cho V2X: Viện Kỹ sư Điện Điện tử (IEEE) 802.11p: 802.11p xác định truy cập không dây môi trường xe cộ (WAVE) bao gồm thiết bị liên lạc tầm ngắn (DSRC) chuyên dụng xe cộ đơn vị bên đường (RSU) Quá trình phát triển dài hạn mạng di động dành cho phương tiện di động đến thứ (C-V2X) (LTE): C-V2X thiết kế để hỗ trợ an toàn chủ động giúp nâng cao nhận thức tình cách phát trao đổi thông tin cách sử dụng đường truyền trực tiếp có độ trễ thấp 5,9 GHz Thơng minh Băng tần Hệ thống Giao thông vận tải (ITS) dành cho tình V2V, V2I phương tiện giao thông đến người (V2P) mà không cần đăng ký di động hỗ trợ mạng 1.1.3 Phân loại loại hình truyền thơng khơng dây V2X V2V (Vehicle-to-vehicle): Các phương tiện trang bị công nghệ xe với xe (V2V) xác định tốc độ, vị trí hướng phương tiện khác phạm vi khoảng 300 mét, giúp họ tránh tai nạn thơng qua cải thiện nhận thức tình điểm mù giao lộ, giao thông đông đúc V2I (Vehicle-to-infrastructure): Công nghệ kết nối phương tiện với sở hạ tầng từ tín hiệu giao thông đến giao cắt với đường sắt cảnh báo điều kiện đường, chẳng hạn xây dựng đường tắc đường V2N (Vehicle-to-network): Hệ thống V2N kết nối phương tiện với mạng dựa đám mây cung cấp dịch vụ cập nhật giao thông thời tiết theo thời gian thực Hệ thống V2N sử dụng thơng tin tuyến đường người lái xe để điều chỉnh nhanh chóng V2P (Vehicle-to-pedestrian): V2P cho phép giao tiếp trực tiếp xe người phạm vi gần 1.1.4 Mơ hình hệ thống truyền thơng V2X Hình 1 Các thành phần OBU Các phương tiện sử dụng công nghệ V2X trang bị OBU, bao gồm hệ thống định vị, hệ thống phụ liên lạc vô tuyến thiết bị xe bao bọc thông tin trạng thái xe tin nhắn BSM phát Hệ thống định vị bus xe nguồn liệu chính, hệ thống định vị cung cấp thơng tin vị trí trạng thái chuyển động xe (ví dụ: vĩ độ, kinh độ, tốc độ, gia tốc, v.v.) bus xe (chủ yếu Bộ điều khiển mạng khu vực (CAN)) cung cấp thông tin trạng thái khác (ví dụ: tốc độ, khả tăng tốc, trạng thái phanh, trạng thái đèn báo rẽ, v.v.) Đồng thời, OBU nhận tin nhắn V2X thông qua hệ thống phụ liên lạc vô tuyến cung cấp ứng dụng cụ thể qua CAN Mạng cục (LAN) tới Giao diện Người-Máy (HMI) OBU nhận thông tin GPS V2X thơng qua ăng-ten Giao diện ăng-ten kết nối trực tiếp với tạo tín hiệu minh họa Hình 1.1 1.2 Cơng nghệ Ăng-ten hệ thống giao thông thông minh Ăng-ten sử dụng hệ sinh thái V2X phân loại thành hai loại: ăng-ten phẳng ăng-ten không phẳng 1.2.1 Ăng-ten phẳng Ăng-ten phẳng trở nên phổ biến ứng dụng cảm biến ô tô chi phí thấp, cấu hình thấp (gọn nhẹ hơn) dễ tích hợp tảng máy chủ Những ăngten đáp ứng yêu cầu ứng dụng ô tô khác mức tăng cao suy hao thấp 1.2.1.1 Ăng-ten Patch vi dải Ăng-ten vi dải điển hình có miếng phát xạ bên mặt đất phía bên Hình Cấu trúc điển hình ăng-ten patch vi dải Ăng-ten patch vi dải có nhiều hình dạng khác (hình chữ nhật, hình trịn, vịng, hình tam giác, hình ngũ giác, v.v.), thiết kế để phù hợp với đặc điểm cụ thể ứng dụng Chúng thường sử dụng liên lạc vệ tinh SDARS, mạng WLAN liên lạc Car-2-Car, hệ thống GPS Các ăng-ten phẳng dễ dàng sử dụng cấu trúc xe, thường phía sau chắn bùn cản 1.2.1.2 Ăng-ten Patch xếp chồng lên Hình Cấu trúc điển hình Ăng-ten Patch xếp chồng lên Ăng-ten patch vi dải ngày ưa chuộng có hạn chế riêng, đặc biệt dải thông hẹp trở kháng, tỷ số trục phân cực tròn, mức khuếch đại, v.v tham số ưu tiên hàng đầu cho nhà thiết kế Và phương pháp áp dụng gần để khắc phục hạn chế ăng-ten Patch vi dải xếp chồng nhiều patch, gọi Ăng-ten patch xếp chồng lên 1.2.1.3 Ăng-ten patch UWB Một Ăng-ten phẳng khác nhà thiết kế hệ thống không dây ô tô ưa chuộng ăng-ten Patch băng siêu rộng (UWB) Do băng thông rộng hơn, tốc độ liệu cao hơn, tiêu thụ điện thấp, phức tạp chi phí chế tạo tương đối thấp, ăng-ten patch UWB trở thành thành phần quan trọng môi trường ô tô ứng dụng truyền thông không dây khác Ăng-ten UWB hoạt động dải tần 3,1–10,6 GHz thiết kế để thể đặc tính xạ đa hướng Các ăng-ten lý tưởng cho liên lạc tầm ngắn, để truyền liệu qua dải tần số rộng 500MHz 1.2.1.4 Ăng-ten chip Ăng-ten chip nhỏ gọn, cấu hình thấp mang lại hiệu suất độ tin cậy cao Chúng thiết kế để tích hợp dễ dàng vào hệ thống thông tin liên lạc khơng dây Trong mơi trường tơ, ăng-ten chip có băng thông khác sử dụng để thiết lập kết nối xe xe với sở hạ tầng Ăng-ten cho BLUETOOTH, WLAN, Cellular, GNSS, DSRC, SDAR, v.v có Chip, làm cho nhỏ gọn hiệu 1.2.1.5 Ăng-ten Patch mảng Ăng-ten mảng kết hợp nhiều ăng ten giống hệt giúp tạo xạ mạnh theo hình dạng cụ thể Độ lợi hướng tương đối cao mảng ăng ten so với ăng ten phần tử đơn lẻ Mảng ăng-ten coi phương pháp tốt để thiết kế ăng-ten cấu hình thấp, hiệu suất cao độ khuếch đại tính định hướng cao, khả ghép nối lẫn thấp phần tử mảng thùy bên/phía sau thấp Hình dạng vị trí phần tử ăng ten, khoảng cách phần tử, pha kích thích dạng xạ phần tử xác định hình thành chùm tia 1.2.2 Ăng-ten không phẳng Ăng-ten không phẳng thường ăng-ten patch tích hợp bề mặt cong chất khơng phẳng 1.2.2.1 Ăng-ten đơn cực Đây ăng-ten phổ biến cho phép nhiều ứng dụng, từ phát sóng âm VHF đến liên lạc xe xe Ăng-ten đơn cực bao gồm chân và thường đặt mui tơ Ngồi ra, chúng đặt cạnh mái nhà cản Ăng-ten đơn cực lý tưởng cho ứng dụng VHF, UHF, Cellular, LTE WLAN Ơ tơ Do giá cạnh tranh tích hợp dễ dàng phương tiện, Ăng-ten Whip sản phẩm ưa chuộng ngành ô tô 1.2.2.2 Ăng-ten vây cá mập (Sharkfin) Ăng-ten vây cá mập cải tiến gần so với ăng-ten thông thường khác sử dụng hệ sinh thái ô tô Những ăng-ten trở nên phổ biến chúng có nhiều chức hơn, hấp dẫn mặt thẩm mỹ chắn Ăng-ten Sharkfin có kích thước nhỏ gọn bao gồm nhiều phần tử ăng-ten phục vụ cho nhiều ứng dụng Ví dụ: Ăng-ten vây cá mập bao gồm nhiều PIFA (hỗ trợ MIMO-LTE), ăng-ten V2V hoạt động tần số 5,9 GHz, WiFi (có thể hỗ trợ băng tần kép 2,4 GHz GHz), ăng-ten vá cho ứng dụng GPS, v.v Hình Module Ăng-ten với phần tử tích cực tích hợp vào vây cá mập [5] 1.2.3 Vị trí đặt Ăng-ten Hình Các vị trí đặt Ăng-ten xe Với xu hướng phương tiện tự lái, số lượng lớn ăng-ten cảm biến sử dụng phương tiện Việc đặt ăng-ten đâu câu hỏi hóc búa cần giải Đối với ăng-ten nào, vị trí thích hợp tảng để có hiệu suất tối ưu Ăngten nên tách rời khỏi phận dẫn điện cảm biến khác phương tiện Nếu chúng không sử dụng cách, hiệu bị ảnh hưởng nhiều Mui xe coi nơi lý tưởng để tích hợp ăng-ten, đáp ứng u cầu – cao so với mặt đất bị cản trở – cung cấp vùng phủ sóng tốt dọc theo mặt phẳng nằm ngang Để xác định vị trí đặt ăng-ten phù hợp, Kranti Kumar Katare hai cộng đề xuất sơ đồ phân tập đa ăng-ten dựa mơ hình hình học đơn giản cách tiếp cận hiệu mặt tính tốn để giải vấn đề thách thức việc làm giảm phạm vi phủ sóng ăng-ten Điều đạt cách xác định vị trí cho nhiều ăng-ten cách sử dụng mơ hình hình học mà không cần phải sử dụng mô tồn sóng tốn thời gian tồn khơng gian tìm kiếm vị trí ăng-ten Sơ đồ đề xuất 10 1.3.2.1 Ăng-ten tái cấu hình sử dụng chuyển đổi phần tử xạ a) Ăng-ten vi dải tái cấu hình dựa chuyển đổi phần tử xạ Hình Mẫu Ăng-ten tái cấu hình sử dụng phần tử xạ hình cá Một ăng-ten tái cấu hình Rahmani Faouzi cộng đề xuất cấp điện cáp đồng trục bao gồm miếng patch hình trịn, sáu phần tử xạ hình cá mặt đất phẳng trịn Hình 1.6 Việc sử dụng sáu tế bào phát xạ hình cá hoạt động mặt phản xạ với mặt đất phẳng hình trịn tùy theo trạng thái chuyển đổi Bằng cách thay đổi trạng thái sáu điốt PIN, mơ hình xạ đổi thành sáu trạng thái bao phủ mặt phẳng phương vị sáu hướng nằm trong nửa mặt phẳng độ cao b) Ăng-ten 3D tái cấu hình dựa chuyển đổi phần tử xạ Một cách khác để thiết kế ăng-ten bao phủ hướng quan trọng sử dụng cho công nghệ V2X sử dụng cấu trúc 3D thay cấu trúc phẳng Một ăng-ten bao gồm hai phần ăng-ten phẳng, trực giao với Trong trường hợp này, việc cấu hình lại mẫu thực cách chuyển đổi phần tử Ăng-ten tạo bốn chùm tia khác dịch chuyển 90° theo phương vị so với Hình Phối trí Ăng-ten tích hợp 3D 11 1.3.2.2 Ăng-ten vi dải tái cấu hình cách sử dụng phần tử ký sinh (ESPAR) Ăng-ten ESPAR tạo thành loại ăng-ten tái cấu hình đặc biệt cung cấp tính cấu hình lại giản đồ xạ cách điều chỉnh phần tử điện phần tử ký sinh Ăngten ESPAR hình thành từ phần tử tích cực số phần tử ký sinh cụ thể phân phối gần phần tử hoạt động theo cách xếp hình học định (tuyến tính, hình trịn, v.v.) Các phần tử ký sinh đặt khoảng cách gần so với mảng ăng ten thơng thường đó, chúng có kích thước nhỏ hơn, mang lại kích thước tương đối nhỏ gọn cho hệ thống ăng-ten cuối 1.4 Kết luận chương Chương giới thiệu chức hoạt động ăng-ten ứng dụng hệ thống giao thơng thơng minh Đưa thách thức cịn tồn mặt thiết kế ăng-ten làm tiền đề cho việc nghiên cứu đề xuất chương Chương đồ án lựa chọn công nghệ, kỹ thuật công cụ để thiết kế ăng-ten cho hệ thống giao thông thông minh đồng thời áp dụng lựa chọn đề xuất thiết kế đáp ứng yêu cầu đặt như: phủ sóng xạ cho toàn mặt phẳng phương vị khu vực định thuộc mặt phẳng độ cao để đảm bảo liên lạc với sở hạ tầng mạng khác CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĂNG-TEN Nội dung chương đề xuất ăng-ten vi dải tái cấu hình theo giản đồ xạ sử dụng phương pháp chuyển đổi phần tử xạ Ăng-ten thiết kế để bao phủ băng tần 5,9 GHz (5,85 – 5,925 GHz) theo tiêu chuẩn IEEE 802.11p ứng dụng cho công nghệ V2X hệ thống giao thơng thơng minh Kích thước tổng thể ăng-ten V =π ×222 ×1,6( mm3 ) Bằng cách sử dụng điốt PIN để thay đổi phân bố dòng điện bề mặt phần tử xạ giúp ăng-ten thay đổi hướng búp sóng bao phủ tồn mặt phẳng phương vị khu vực định có mặt phẳng độ cao θ = 75° – 105°, với θ = 0° tương ứng với trục Z nhằm đảm bảo liên lạc phương tiện với sở hạ tầng truyền thơng 2.1 Đặt vấn đề 2.1.1 Bài tốn thiết kế Ăng-ten cho công nghệ V2X cần cung cấp vùng phủ sóng cho tồn mặt phẳng phương vị (góc phương vị φ = 0° – 360°) khu vực định có mặt phẳng độ cao (góc độ cao θ = 75° – 105°, với θ = 0° tương ứng với trục - Z) Vùng phủ sóng bán cầu (θ = 75° – 90°) đảm bảo liên lạc với sở hạ tầng truyền thông mạng lưới Mặt 12 khác, để giao tiếp với người phương tiện khác thiết bị bên đường cần có vùng phủ sóng bán cầu (θ = 90°–105°) Có phương pháp trình bày tiểu mục 1.3.2, cung cấp mẫu cấu hình lại thiết kế nhỏ gọn Tuy nhiên, giải pháp sử dụng shorting pins Ăng-ten đa chế độ bị hạn chế mặt tự xác định hướng giản đồ xạ Trong trường hợp sử dụng chuyển đổi phần tử xạ phần tử ký sinh, hướng xác định tự Theo mục 1.2.3, việc lựa chọn vị trí đặt ăng-ten thách thức cho nhà thiết kế Do vật liệu thiết kế phương tiện có đặc tính khác như: che khuất sóng điện từ, phản xạ sóng … Mà phương pháp sử dụng phần tử ký sinh lại dễ bị ảnh hưởng đến hiệu suất yếu tố môi trường thời tiết nhiễu từ thiết bị khác Vì vậy, phương pháp chuyển đổi phần tử xạ tối ưu lựa chọn để xây dựng thiết kế Băng tần 5,9 GHz định cho Hệ thống giao thông thông minh (ITS Hịa Kỳ, Châu Âu).Chính đề tài định chọn băng tần sử dụng thiết kế ăng-ten ứng dụng cho hệ thống giao thông thông minh 2.1.2 Lựa chọn kỹ thuật công cụ thiết kế 2.1.2.1 Lựa chọn kỹ thuật tái cấu hình Hình Các kỹ thuật tái cấu hình Ăng-ten Kỹ thuật phổ biến để thay đổi hình dạng ăng-ten sử dụng chuyển mạch điện tử nhằm làm thay đổi phân bố dòng bề mặt làm thay đổi cấu trúc bề mặt xạ cạnh xạ ăng-ten Chuyển mạch quang giải pháp cho ăng-ten tái cấu hình Một chuyển mạch quang dẫn ánh sáng laser chiếu vào vật liệu bán dẫn làm cho hạt điện tử nhảy từ vùng hóa trị sang vùng dẫn để tạo nên miền dẫn điện Ăng-ten tái cấu hình thực cách thay đổi cấu trúc vật lý thành phần xạ để thay đổi đặc tính xạ Việc thay đổi cấu trúc vật lý đạt cách thay đổi từ trường, điện trường 13 Ăng-ten tái cấu hình thay đổi đặc tính xạ cách sử dụng vật liệu có khả thay đổi đặc tính tác động bên tinh thể lỏng, ferit Tuy nhiên, ăng-ten tái cấu hình sử dụng chuyển mạch điện tử phổ biến có nhiều ưu điểm kết hợp 2.1.2.2 Lựa chọn công cụ Các công cụ sử dụng phổ biến để mô ăng-ten Ansoft HFSS CST MICROWAVE STUDIO Hai cơng cụ có chức cách sử dụng tương tự CST MICROWAVE STUDIO cho hình ảnh 2D, 3D rõ nét với tùy chọn thông số, công cụ hỗ trợ tốt cho việc thiết kế, tối ưu ăng-ten Chính CST tơi lựa chọn cho việc thiết kế ăng-ten 2.2 Thiết kế Ăng-ten tái cấu hình theo giản đồ xạ Các tham số như: Tham số S11, độ lợi, khả định hướng hiệu suất ăng-ten băng thông đặc điểm quan trọng cần thiết để xem xét tối ưu Phối hợp trở kháng: Để đạt kết hợp hiệu lượng RF từ máy phát đến ăng-ten, hai cần phải có trở kháng Trở kháng 50 Ohm điển hình cho hầu hết thành phần đường truyền tần số vô tuyến Hiệu suất ăng-ten: Đây thước đo mức độ hiệu ăng-ten việc phát tín hiệu RF Hiệu tỷ lệ công suất phát từ ăng-ten so với công suất đầu vào biểu thị dB Độ lợi hướng ăng-ten: Một số Ăng-ten sử dụng kỹ thuật thiết kế giúp chúng phát tín hiệu theo hướng cụ thể hiệu Ăng-ten đa hướng xạ theo hướng so với Ăng-ten định hướng thiết kế để tập trung lượng truyền thể đặc tính khuếch đại theo hướng định Tỷ lệ sóng đứng điện áp (VSWR): VSWR, hay thường viết tắt SWR, thước đo mức độ phù hợp ăng-ten với máy phát tần số hoạt động cộng hưởng cần thiết 2.2.1 Tiến trình thiết kế Ăng-ten tái cấu hình theo giản đồ xạ Quá trình thiết kế, tính tốn ăng-ten phẳng tái cấu hình theo giản đồ xạ tiến hành theo bước sau Đầu tiên, ăng-ten phẳng đơn có tần số hoạt động cố định 5,9 GHz thiết kế với phần cấp điện cáp đồng trục độ dài phần tử xạ ăng-ten tính tốn tần số Tiếp theo, dựa vào nguyên lý chuyển đổi phần tử xạ nhằm thay đổi phân bố dòng điện bề mặt ăng-ten, phần tử xạ ăng-ten 14 thay đổi cách sử dụng chuyển mạch điốt PIN nối phần tử phản xạ với mặt phẳng đất, cấu trúc khác ăng-ten bao gồm cấu trúc cấp điện kích thước tổng thể giữ ngun khơng thay đổi Trạng thái BẬT điốt PIN nhờ vào nguồn cấp điện chiều DC để hoạt động, đo ăng-ten tính tốn để thay đổi hướng búp sóng từ 60 ° sang 150 °, 240 °, 330 °, 17 ° 197 ° , 107 ° 287 ° Với độ rộng búp sóng nửa công suất từ 45 ° đến 51 °, bao phủ toàn mặt phẳng phương vị 2.2.2 Thiết kế Ăng-ten phẳng tái cấu hình sử dụng tiếp điện cáp đồng trục 2.2.2.1 Cấu trúc Ăng-ten Cấu trúc ăng-ten vi dải tái cấu hình sử dụng tiếp điện cáp đồng trục đề xuất Hình 2.2 Cấu trúc bao gồm: bốn phần tử xạ mặt có hình cánh quạt với góc mở α , bốn cánh phản xạ đặt mặt đất có góc mở β Ăng-ten thiết kế đế điện môi FR4 có số điện mơi hiệu dụng 4,4, hệ số tổn hao 0,02 độ dày 1,6 mm với kích thước tổng ăng-ten V =π ×222 ×1,6 mm3 W1 W2 β k2 k1 α (a) Kiến trúc tổng thể (b) Mặt (c) Mặt Hình 2 Cấu trúc Ăng-ten vi dải tái cấu hình theo giản đồ xạ Bảng Kích thước chi tiết Ăng-ten đề xuất (mm) Thông số Kích thước (mm) Thơng số Kích thước (mm) W1 1,5 R2 17,5 W2 1,5 β 60 α 70 k1 2,33 R1 22 k2 0,7 2.2.2.2 Tính tốn kích thước Ăng-ten Bước 1: Thiết kế đường tiếp điện Khảo sát connector SMA thị trường cho thấy Connector có mã: 0732510420 hãng Molex có đường kính lõi: d=1,27 mm đường kính vỏ: D=4,25 mm Tơi đặt giá trị d=1,4 mm D=4,7 mm làm giá trị đường kính lỗ via 15 Trở kháng đặc tính sau tính toán: Z 0= 60 D 60 4,7 ln = ln =50,144 Ω √ ϵ d √ 2,1 1,4 ( ) ( ) Như vậy, theo lý thuyết đường truyền vi dải thông số tham khảo từ connector SMA thị trường Kích thước đường kính lỗ đặt dây dẫn trung tâm 1,4 mm Bước 2: Thiết kế phần tử xạ Từ tần số hoạt động ăng-ten xác định bán kính phần tử xạ là: ⇒ a= F 2h πF 1+ ln +1.7726 π ϵr F 2h { ( =0 , 678(cm) )} ⇒ Chu vi phần tử xạ=2 πa=42 ,6 (mm) Bước 3: Mô tối ưu tham số Các tham số ăng-ten phần mềm thương mại hóa CST Studio Suite cho kết Bảng 2.1 2.3 Kết mô phân tích 2.3.1 Hệ số phản xạ (a) Cấu hình S1, S2, S3 S4 16 (b) Cấu hình S5 S6 Hình Kết mơ tham số |S11| Kết mô hệ số phản xạ ăng-ten tái cấu hình Hình 2.3 Có thể thấy cấu hình S1, S2, S3, S4, S5 S6 ăng-ten bao phủ băng tần 5,9 GHz (5,85 – 5,925 GHz) theo tiêu chuẩn IEEE 802.11p Băng thông mức -10 dB 215 MHz (từ 5,84 GHz đến 6,07 GHz) với cấu hình S1, S2, S3 S4; 517 MHz (từ 5,5 GHz đến 6,02 GHz) đáp ứng yêu cầu băng thông ứng dụng cho công nghệ V2X hệ thống giao thơng thơng minh 2.3.2 Phân bố dịng điện bề mặt Ăng-ten Để giải thích hoạt động ăng-ten vi dải tái cấu hình, phân bố dịng bề mặt mơ trình bày Hình 2.4 (a) - (h) tần số 5,9 GHz Dễ dàng thấy rằng, dòng bề mặt phân bố mạnh qua cạnh phần tử xạ hình quạt yếu dần chạy hết cánh phản xạ mặt Hơn nữa, chiều dài điện phần tử xạ cấu hình S5 S6 dài bốn cấu hình S1, S2, S3 S4 Điều có nghĩa vị trí điểm nối nguyên nhân gây việc dịch tần số đồ thị tham số S11 (Hình 2.3) (a) S1 (b) S2 (c) S3 17 (d) S4 (e) S5 (f) S6 Hình Phân bố dòng bề mặt Ăng-ten tái cấu hình cấu hình khác S1, S2, S3, S4, S5 S6 2.3.3 Đồ thị xạ 2D Đồ thị xạ 2D ăng-ten với cấu hình tổng hợp thể Hình 2.5 Hình Đồ thị xạ 2D Hình 2.5 tập hợp cấu hình theo mặt phẳng phương vị cho thấy thiết kế đề xuất cung cấp vùng phủ sóng cho tồn mặt phẳng phương vị (φ = 0° – 360°) khu vực mặt phẳng độ cao (θ = 75° – 105°, với θ = 0° tương ứng với trục - Z) thỏa mãn yêu cầu thời gian thực Volvo Cars áp dụng 2.4 Kết luận chương Chương lựa chọn phương pháp chuyển đổi phần tử xạ kỹ thuật tái cấu hình sử dụng chuyển mạch điện tử điốt PIN để thay đổi đồ thị xạ ăng-ten Công cụ mô CST Microwave Studio với đặc tính bật hỗ trợ thiết kế mô ăng-ten cao tần lựa chọn Nội dung thứ hai mà chương đạt áp dụng lựa chọn nêu với yêu cầu đặt Chương để thiết kế ăng-ten vi dải tái cấu hình theo giản đồ xạ với quy trình đầy đủ từ đặt mục tiêu, thiết kế, mô đánh giá Ăng-ten thiết kế đáp 18 ứng đầy đủ mục tiêu thiết kế đặt dành cho công nghệ V2X hệ thống giao thông thông minh Các thông số kỹ thuật đặc tính xạ thu từ kết mô xác thực chế tạo, đo kiểm phịng LAB mơi trường thực Kết trình bày chương CHƯƠNG 3: ĐO KIỂM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ DỰA TRÊN THỰC NGHIỆM Để đánh giá thực nghiệm kết đề xuất dựa hai phương pháp: Đo thụ động chủ động Phép đo thụ động đánh giá hiệu suất ăng-ten phòng LAB Phép đo chủ động đánh giá hiệu suất ăng-ten lắp đặt thiết bị thực tế Các phép đo, chẳng hạn tổng công suất xạ (Total Radiated Power), công suất xạ đẳng hướng hiệu (Effective Isotropic Radiated Power), tổng độ nhạy đẳng hướng (Total Isotropic Sensitivity), độ nhạy đẳng hướng hiệu (Effective Isotropic Sensitivity), v.v., Nội dung chương đánh giá mẫu ăng-ten đề xuất dựa hai phương pháp đo: thụ động chủ động Đánh giá thụ động thực thiết bị VNA Rohde & Schwarz ZVA40 hãng Rohde & Schwarz phòng Lab Viện Hàng Không Vũ Trụ Viettel Đánh giá chủ động sinh viên thiết lập máy phát sóng cao tần Rohde & Schwarz SMW200A kết hợp với máy phân tích phổ Keysight N9918A môi trường thực Viettel 3.1 Đo Ăng-ten thụ động 3.1.1 Các tham số đo thụ động Do điều kiện phòng Lab, phép đo thụ động thường thực chủ yếu máy phân tích mạng VNA, đánh giá khả hoạt động ăng-ten thông qua hai tham số tần số hoạt động băng thông Hai tham số xác định thơng qua hai tham số đặc thù khác Đó hệ số phản xạ hệ số sóng đứng VSWR