(Tóm tắt 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 8.52.02.08 TÓM TẮT ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ HÀ NỘI - NĂM 2023 Đề án tốt nghiệp hoàn 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 thơng Vào lúc: ngày tháng năm LỜI NÓI ĐẦU Anten phần quan trọng thiết bị vô tuyến Đối với anten thiết bị đầu cuối di động, tham số cần quan tâm băng thông, hiệu suất, tăng ích khả triển khai thực tế chi phí chế tạo cịn có thách thức lớn kích thước nhỏ gọn, mỏng để phù hợp với nhu cầu xu hướng phát triển người công nghệ Bên cạnh đó, kết hợp cơng nghệ MIMO nhằm gia tăng dung lượng, hệ anten phải đảm bảo độ cách li cao anten chúng đặt sát gần kích thước giới hạn thiết bị đầu cuối di động Chính thế, nghiên cứu hướng tới mục tiêu đề xuất kiến trúc anten, anten MIMO phẳng, sử dụng đường cong Fibonacci nhằm tạo anten đa băng, băng rộng, có tỷ lệ thu nhỏ kích thước lớn Bên cạnh đó, nghiên cứu hướng tới việc đề xuất giải pháp nâng cao độ cách li hệ anten MIMO phần tử anten đơn đặt gần Các nghiên cứu ứng dụng cho thiết bị đầu cuối di động 4G/5G, hệ thống IoT/IIoT băng rộng Chính chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu tác động tương hỗ sử dụng phần tử ký sinh anten MIMO đa băng” với mục đích cải thiện nhược điểm lớn anten MIMO Nội dung đề án chia thành ba chương sau: Chương 1:“ Tổng quan anten vi dải hệ thống anten MIMO” trình bày khái niệm, cấu trúc, đặt điểm tham số anten vi dải anten MIMO Chương 2:“ Nghiên cứu giải pháp giảm ảnh thiểu hưởng tương hỗ phần tử anten MIMO” trình bày kỹ thuật giảm thiểu tương hỗ anten MIMO phân tích số kết nghiên cứu sử dụng kỹ thuật Đặt biệt Kỹ thuật sử dụng phần tử ký sinh Chương 3:“ Đề xuất cấu trúc phần tử ký sinh ứng dụng cho giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ anten Fibonacci ba băng tần” đề xuất mẫu anten MIMO sử dụng cấu trúc hình học Fibonacci ba băng tần sử dụng cấu trúc phần tử ký sinh đối xứng có độ cách ly cao ba tần CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ANTEN VI DẢI VÀ HỆ THỐNG ANTEN MIMO Nội dung chương giới thiệu đặc điểm, tính chất, phương thức hoạt động anten vi dải ưu, nhược điểm loại hình anten làm tiền đề cho việc thiết kế anten chương sau Đồng thời đưa khái niệm, đặc điểm, ảnh hưởng tương hỗ anten MIMO làm sở để đưa giải pháp phù hợp cho anten MIMO đề xuất chương 1.1Anten vi dải 1.1.1 Cấu tạo anten vi dải Anten vi dải gồm có phần là: Bản kim loại, lớp điện môi, mặt phẳng đất phận tiếp điện Bản kim loại gắn lên lớp đế điện môi tạo lên kết cấu tương tự mảng mạch in (Hình 1.1) Hình 1.1: Cấu trúc đơn giản anten vi dải 1.1.2 Nguyên lý hoạt động anten vi dải Anten vi dải hoạt động dựa nguyên lý xạ mặt (Hình 1.2) Các bề mặt kích thích trường điện từ xạ từ nguồn sơ cấp Trường kích thích tạo bề mặt ấy,trong điện trường E từ trường H vng góc với nhau, lúc bề mặt trở thành nguồn xạ thứ cấp gọi mặt xạ anten Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động anten vi dải 1.1.3 Sóng cấu trúc anten vi dải Trong cấu trúc anten vi dải có loại sóng là: sóng khơng gian, sóng mặt, sóng rị, sóng ống dẫn sóng (Hình 1.3) Hình 1.3: Sóng anten vi dải 1.1.4 Các thông số anten vi dải  Hệ số phản xạ S11 S11 tham số đặc trưng cho phần lượng bị phản xạ lại phía anten khơng tương thích với đường truyền S 11 nhỏ có nghĩa lượng lớn lượng chuyển đến anten  Tần số thông số liên quan với tần số Tần số làm việc anten xác định chiều dài L Tần số trung tâm tính xấp xỉ theo cơng thức (1.1) Trong đó: L: Chiều dài miếng patch c: Vận tốc ánh sáng : Hằng số điện môi : Tần số trung tâm  Độ rộng băng thông Độ rộng băng thông hiểu khoảng băng tần đáp ứng yêu cầu  Hệ số sóng đứng VSWR VSWR tỉ số biên độ sóng dừng điểm bụng điểm nút đường chuyền sóng VSWR xác định từ điện áp đo dọc theo đường truyền dẫn đến anten  Trở kháng vào Khái niệm: Khi mắc anten vào máy phát hay máy thu, anten trở thành tải Trị số tải đặc trưng trở kháng vào anten Trường hợp tổng quát, trở kháng đại lượng phức: Z=Re(z)+ j* Im(z) (1.2) Trong đó, phần thực biểu thị phần lượng xạ bị hấp thụ bên anten Phần ảo thể phần lượng không xạ  Công suất hiệu suất anten Công suất anten công suất phát trực tiếp đến anten.Tuy nhiên, trình truyền sóng cịn xuất cơng suất tổn hao (do nhiệt, mát cảm ứng) công suất xạ anten  Độ lợi anten Độ lợi mô tả lượng truyền theo hướng xạ lớn so với nguồn đẳng hướng Độ lợi thường nói đến tính hướng bảng mơ tả đặc tính anten dùng để xem xét có tín hiệu xảy 1.1.5 Ưu điểm, nhược điểm anten vi dải Ưu điểm: Anten vi dải có ưu điểm trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ , có cấu trúc phẳng nên dễ dàng chế tạo Nhược điểm: Ngoài ưu điểm anten vi dải cịn tồn số nhược điểm băng thông nhỏ (chỉ ~ 0.5 tới 10%), hầu hết xạ nửa không gian, hiệu suất xạ Công suất cho phép thấp 1.2Tổng quan anten MIMO 1.2.1 Khái niệm MIMO kỹ thuật sử dụng nhiều anten để thu phát tín hiệu vơ tuyến Việc sử dụng anten MIMO chìa khóa dẫn đến thành công IEEE 802.11n, HSPA, LTE, LTE-Advanced MIMO tiếp tục sử dụng 5G công nghệ truyền thông không dây hệ 1.2.2 Đặc điểm Kích thước dung lượng tổng thể danh cho thiết kế anten thiết bị đầu cuối di động vấn đề có tầm ảnh hưởng lớn lên thiết kế anten (UE) Bên cạnh đó, cịn có số yếu tố khác gây phức tạp thiết kế anten cho thiết bị đầu cuối di động UE 1.3 Ảnh hưởng tương hỗ anten MIMO 1.3.1 Tương hỗ chế độ phát Để đơn giản, ta giả sử hai anten n m hệ anten MIMO đặt gần Hình 1.4 Cách làm tương tự số lượng phần tử xét lớn Nếu nguồn tác động vào anten n, lượng phát di chuyển từ anten (được đánh số vùng 0) xạ ngồi khơng gian (vùng 1) hướng hướng anten m (vùng 2) Phần lượng không mong muốn anten m tạo dịng điện có xu hướng tái phát xạ phần lượng ngồi khơng gian (vùng 3) phần cịn lại di chuyển vào máy phát m (vùng 4) Một phần lượng phát xạ lại vùng quay ngược trở lại hướng phía anten n (vùng 5) Hình 1.4: Tương hỗ chế độ phát hai anten m n 1.3.2 Tương hỗ chế độ thu Hình 1.5: Tương hỗ chế thu hai anten m n Giả sử vùng ngẫu nhiên, tác động vào anten m gây dịng điện Một phần lượng tán xạ lại không gian (vùng 2), phần khác hướng thẳng đến anten n (vùng 3) tạo thêm véc tơ lượng vùng ngẫu nhiên cho anten n, phần lại tới đường cấp nguồn anten m (vùng 1) Như vậy, tổng lượng thu phần tử anten hệ thống MIMO vecto tổng sóng trực tiếp sóng ký sinh đến từ ảnh hưởng tương hỗ phần tử khác 1.3.3 Tương hỗ anten patch hình chữ nhật  Tham số tán xạ S Tham số tán xạ S dùng để thể mối quan hệ cổng (port terminal) hệ thống điện tử Nếu có hai anten (tạm gọi cổng cổng S12 thể lượng truyền từ cổng vào cổng S21 thể lượng truyền từ cổng cổng Xét trường hợp tổng quát, SNM thể lượng truyền tải từ cổng M vào cổng N hệ thổng đa cổng (multiport)  Phương thức xác định Tương hỗ đóng vai trị quan trọng hiệu anten Tuy nhiên phân tích đánh giá khơng phải điều đơn giản Để dễ dàng cho việc phân tích xác định tương hỗ hệ đa anten, ta xét trường hợp anten patch MIMO 1x2 hình chữ nhật số lý sau:  Anten patch loại hình anten ứng dụng rộng rãi thiết kế anten khác lĩnh vực thông tin di động  Hiệu anten patch có suy giảm lớn chịu ảnh hưởng tương hỗ phần tử anten 1.4 Các tham số anten MIMO  Hệ số tương quan tín hiệu Tương quan tín hiệu mơ tả độc lập tín hiệu Để đánh giá tính tương quan tín hiệu, người ta thường sử dụng hệ số tương quan đường bao ECC xác định theo công thức 1.3 sau: N |∑ | ∏[ ∑ ] ¿ i, n S S ρe ( i, j , N )= n=1 ¿ n, j (1.3) N 1− k=(i , j) S ¿ k,n S ¿ n, k n=1  Độ tăng ích hiệu trung binh (MEG) MEG tham số quan trọng để định quỹ đường truyền hệ thống vơ tuyến Nó xác định dựa cách ly phân cực chéo, tăng ích hàm mật độ góc theo hướng theta phi theo công thức 1.4 sau: 2π π MEG=∫ ∫ 0 [ X G ( θ , φ ) P0 ( θ , φ ) + G ( θ , φ ) P φ (θ , φ) sinθdθdφθdθdφφ(1.4) 1+ X 1+ X φ ] Trong 𝑋 tỷ số cơng suất phân cực chéo, 𝐺𝜃(𝜃, 𝜑) 𝐺𝜑(𝜃, 𝜑) độ tăng ích thành phần anten, 𝑃𝜃(𝜃, 𝜑) 𝑃𝜑(𝜃, 𝜑) mô tả xác xuất phân bố sóng tới mơi trường truyền với giả thiết thành phần không tương quan 11 MIMO Một kỹ thuật khác để cải thiện độ cách lý cho anten MIMO đơn giản, dễ dàng tích hơp anten sử dụng phần tử ký sinh để loại bỏ phần (hoặc hầu hết) trường cảm ứng khu gần chúng Phần tử ký sinh tạo trường tương hỗ ngược để triệt trường tương hỗ gốc ban đầu, giúp giảm tương hỗ tổng thể anten MIMO Dưới nguyên lý hoạt động cấu trúc phần tử ký sinh Hình 2.2: Tương hỗ hai anten lưỡng cực đặt có khơng có phần tử ký sinh Trong Hình 2.2, hai anten lưỡng cực đặt gần Để giảm ảnh hưởng tương hỗ phần tử ký sinh sử dụng tạo trường ngược với trường xạ ban đầu 2.3 Kết luận chương Trong chương trình bày số giải pháp giúp làm giảm tương hỗ anten MIMO đưa đặc điểm phân tích số cơng trình nghiên cứu sử dụng kỹ thuật đặc biệt sử dụng cấu trúc phần tử ký sinh để giúp giảm tương hỗ anten MIMO đồng thời nhận thấy ưu điểm cấu trúc phần tử ký sinh cấu trúc đơn giản, dễ dàng tích hợp anten MIMO, từ đề an đưa mẫu đề xuất cấu trúc phần tử ký sinh đối xứng giúp giảm thiếu tương hỗ cho anten MIMO ba băng tần chương CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC PHẦN TỬ KÝ SINH 12 ỨNG DỤNG CHO GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG TƯƠNG HỖ TRONG ANTEN FIBONACCI BA BĂNG TẦN Chương trình bày cơng nghê dải băng tần mà anten thiết kế sử dụng Dựa nguyên lý đường cong Fibonacci mẫu anten đơn thiết kế hoạt động ba băng tần Phát triển cấu trúc anten đơn thành cấu trúc anten MIMO sử dụng phần tử ký sinh đề xuất để giảm tương hỗ anten Đề xuất chứng minh qua kết mô thực nghiệm 3.1 Lựa chọn công nghệ dải tần hoạt động anten Công nghệ truyền thông không dây hệ thứ (5G) thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu ngồi nước Vì vậy, đề tài lựa chọn hai dải băng tần 3400-3800KHz, 4400- 5000KHz 5G băng tần thấp 10 GHz cho nghiên cứu Ngồi cơng nghê IoT ln chủ đề mà nhà khoa học quan tâm Từ dải tần hoạt động công nghệ tìm hiểu nhận thấy, thời điểm công nghệ kết nối triển vọng cho IoT chủ yếu hoạt động băng tần 900-930MHz, 2.4/2.6GHz, 3.3GHz 5GHz Chính đề tài định lựa chọn ba băng tần sử dụng cho IoT 3.2 Tổng quan dãy số FIBONACCI 3.2.1 Cấu trúc toán học cấu trúc Fibonacci tự nhiên Dãy Fibonacci dãy vô hạn số tự nhiên bắt đầu hai phần tử 1, phần tử sau thiết lập theo quy tắc phần tử tổng hai phần tử trước Cơng thức truy hồi dãy Fibonacci (3.1) là: (3.1) 13  Mối quan hệ với “tỷ lệ vàng” Tỷ lệ vàng, biểu diễn tên Phi (có biểu tượng Φ, φ) đến từ một) đến từ thành công ngành số học, biểu diễn mối quan hệ hai yếu tố có đoạn thẳng  Đặc tính cấu trúc hình học Fibonacci Các đặc tính số Phi mang đến nhiều điều ngạc nhiên, việc phát dạng tỷ lệ vàng (Hình 3.1) Hình 3.1: Đường cong xoắn ốc biểu diễn tỷ lệ vàng dãy số Fibonacci Trong tự nhiên có nhiều điều trùng hợp với dãy số Fibonacci hay tỉ lệ vàng, điều kì diệu tạo hóa mang lại Ví dụ mà dễ dàng nhìn thấy khn mặt người 3.2.2 Ứng dụng dãy số Fibonacci đời sống Cấu trúc Fibonacci – “tỷ lệ vàng” ứng dụng thiết kế kiến trúc nội thất kiểu dáng mỹ thuật Một ứng dụng cấu trúc Fibonacci sử dụng anten Fibonacci sử dụng cho thiết bị viễn thông 3.3 Anten FIBONACCI – PIFA 3.3.1 Thiết kế anten Ở cấu trúc Fibonacci sử dụng lấy n=1 đến Các số Fibonacci bán kính cung trịn phần tư tạo thành xoắn ốc Fibonacci từ ta xoay góc 45o tạo thành tám vịng xoắn ốc Fibonacci bậc thể qua tiến 14 trình thiết kết cấu trúc Fibonacci thể qua Hình 3.2 Hình 3.2: Tiến trình tạo cấu trúc Fibonacci Hình 3.3: Tiến trình tạo mặt patch anten FI-PIFA Hình 3.3 cho thấy quy trình hình thành mặt patch anten đề xuất việc sử dụng cấu trúc Fibonacci xây dựng Tại trung tâm patch tròn, shorting pin thêm vào thấy Hình 3.4 Thiết kế kết hợp cấu trúc hình học Fibonacci với shorting pin tối ưu hóa phần mềm CST minh họa Hình 3.5 với kích thước chi tiết anten trình bày bảng 3.1 Hình 3.4: Shorting pin anten đề xuất 15 (a) mặt (b) mặt Hình 3.5: Anten FIBONACCI – PIFA Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) D L3 11,1 r1 0,5 Lg 34,8 L4 14 W1 0,96 L1 13,6 p 0,5 W2 2,5 L2 R 8,5 Wg 29,6 Bảng 3.1: Tham số kích thước anten FIBONACCI – PIFA 3.3.2 Phân tích kết mơ Anten Fibonacci kết hợp với shorting pin đề xuất mô phần mềm CST Từ hình 3.6(a) (b), thấy rõ việc khắc thêm đường cong Fibonacci với khe chẻ Fibonacci với kéo dài shorting pin cấu trúc PIFA, anten khơng có đa băng mà giảm tần số cộng hưởng từ 8.02GHz xuống cịn 2.265 GHz Ngồi ra, từ hình 3.6(b), dễ dàng nhận thấy anten FIBONACCI – PIFA hoạt động dải tần: 2,4GHz, 3,5GHz, 5GHz 16 (a) (b) Anten gốc Anten FIBONACCI – PIFA Hình 3.6: Đồ thị tham số S 3.3.3 Kết thực nghiệm Mẫu anten đơn chế tạo chất FR4 với độ cao 1,6mm, hệ số điện môi 4.4 loss tangent 0.02 trình bày Hình 3.7, kết đo hệ số phản xạ anten S11 so sánh với mô thấy Hình 3.8 17 Hình 3.7: Anten chế tạo Có thể thấy kết đo phù hợp với kết mơ phỏng, anten có tần số cộng hưởng 2,3GHz, 3,4GHz 4,6GHz với độ rộng băng thông 264 MHz (11.47%), 500MHz (14.7%) 825MHz (17.9%) với hệ số phản xạ -28dB, -29dB -15db Độ rộng băng công nghệ truyền thông IoT lớn 2,4GHz, 3,5GHz 5GHz nên anten đề xuất ứng dụng cho 5G IoT Hình 3.8: S11 Mô đo kiểm 3.4 Đề xuất cấu trúc phần tử ký sinh ứng dụng cho giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ anten MIMO FIBONACCI – PIFA 3.4.1 Anten MIMO FIBONACCI sử dụng cấu trúc phần tử ký sinh 18 Hình 3.9: Cấu trúc ký sinh đối xứng đề xuất 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 3.9 (a) Mặt xạ (b) Mặt phẳng đất Hình 3.10: Thiết kế anten MIMO sử dụng cấu trúc ký sinh đối xứng 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