(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, thiết kế anten mimo có hệ số cách ly cao ứng dụng cho hệ thống thông tin 5g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN INH H NGHI N CỨU THI T C HỆ S C CH Y C NG ANTEN MIMO ỨNG D NG CH h HỆ TH NG TH NG TIN 5G LUẬN VĂN THẠC SĨ Ỹ THUẬT VIỄN THƠNG Bình Định – Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN INH H NG NGHI N CỨU THI T C HỆ S C CH Y C NTEN I ỨNG D NG CH HỆ TH NG TH NG TIN 5G h Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8520208 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng i LỜI C Đ N Tôi xin cam đoan kết đề xuất luận văn thân thực suốt thời gian làm luận văn Các kết đạt đƣợc xác trung thực Tác giả luận văn L Minh Hồng h ii LỜI CẢ ƠN Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô khoa Kỹ thuật Công nghệ tạo điều kiện, giúp đỡ trang bị cho kiến thức quý báu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng hƣớng dẫn tận tình giúp đỡ tơi hoàn thành luận văn thời hạn Tuy nhiên, hạn chế mặt thời gian nhƣ lực thân nên nội dung luận văn không tránh khỏi thiếu sót cần hồn thiện thêm Kính mong đóng góp ý kiến Q Thầy Cô h iii C C LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC TỪ VI T TẮT vi DANH MỤC H NH V vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi MỞ Đ U Tính cấp thiết đề tài Tổng quan tình hình nghi n cứu CHƢƠNG 1: L THUY T V ANTEN VI DẢI 1.1 Giới thiệu chƣơng 1.2 Tổng quan anten h 1.2.1.Khái niệm 1.2.2.Hệ phƣơng trình Maxwell 1.2.3.Các thông số anten 1.3 Anten vi dải 13 1.3.1.Giới thiệu chung anten vi dải 13 1.3.2.Các mô hình anten vi dải 19 1.4 Tổng kết chƣơng 21 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG ANTEN MIMO 22 2.1 Giới thiệu chƣơng 22 2.2 Khái niệm k nh truyền MIMO 22 2.2.1.K nh truyền không dây 22 2.2.2.Truyền thông không dây qua k nh truyền MIMO 24 2.2.3.Ƣu điểm k nh truyền MIMO 26 2.3 Hệ thống đa anten ảnh hƣởng tƣơng hỗ 27 iv 2.3.1.Giới thiệu hệ thống đa anten 27 2.3.2.Kỹ thuật phân tập anten 28 2.3.3.Ảnh hƣởng tƣơng hỗ phần tử hệ thống đa anten 29 2.4 Các tham số anten MIMO 38 2.4.1.Hệ số tƣơng quan tín hiệu 38 2.4.2.Độ tăng ích hiệu trung bình (MEG) 39 2.4.3.Dung lƣợng hệ thống 40 2.5 Một số kỹ thuật cải thiện hệ số ảnh hƣởng tƣơng hỗ cho anten MIMO41 2.5.1.Hƣớng đặt anten 42 2.5.2.Mạng cách ly 43 2.5.3.Cấu trúc ký sinh 47 2.5.4.Cấu trúc mặt phẳng đế khơng hồn hảo 51 2.5.5.Đƣờng trung tính 53 h 2.6 Tổng kết chƣơng 56 CHƢƠNG 3: THI T K ANTEN MIMO CÓ HỆ SỐ CÁCH LY CAO ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG 5G 57 3.1 Giới thiệu chƣơng 57 3.2 Thiết kế anten đơn 58 3.2.1 Mơ hình anten đề xuất 58 3.2.2 Tính toán lý thuyết 59 3.2.3 Mô tối ƣu 62 3.3 Thiết kế anten MIMO 2x2 66 3.3.1.Mơ hình anten MIMO ban đầu 66 3.3.2.Cấu trúc ký sinh 67 3.3.3.Mơ hình anten MIMO 2x2 với cấu trúc ký sinh chữ C 68 3.4 Tổng kết chƣơng 71 K T LUẬN 72 v HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN: 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC h vi D NH Từ viết tắt C TỪ VI T TẮT Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu MAS Multi Antennas System Hệ thống đa anten SISO Single Input Single Output Đơn đầu vào đơn đầu MPA Multi Port Antenna Anten đa cổng MMA Multimode Antenna Anten có nhiều chế độ MPOA Multipolarized antenna Anten có nhiều phân cực MIMO khác h vii D NH C H NH V Hình 1.1: Hệ thống thu phát tín hiệu Hình 1.2: Điện trƣờng từ trƣờng trƣờng khu xa Hình 1.3: Đ thị phƣơng hƣớng anten [7] 11 Hình 1.4: Phân cực tuyến tính, phân cực tr n phân cực elip 12 Hình 1.5: Anten vi dải [7] 14 Hình 1.6: Một số hình dạng anten patch vi dải 15 Hình 1.7: Một số loại anten khe mạch in 16 Hình 1.8: Cấp ngu n d ng đƣờng truyền vi dải 18 Hình 1.9: Cấp ngu n d ng cáp đ ng trục 18 Hình 1.10: Cấp ngu n d ng phƣơng pháp gh p khe – Aperture coupled 19 Hình 1.11: Các thơng số mơ hình đƣờng truyền 20 Hình 2.1: Tổn hao tr n đƣờng truyền không dây 23 h Hình 2.2: Mơ hình hệ thống (a) SISO (b) MIMO 25 Hình 2.3: Mơ hình đa anten (a) sử dụng chung phần tử xạ (b) sử dụng phần tử xạ độc lập 28 Hình 2.4: Hệ anten MIMO hai anten đơn 30 Hình 2.5: (a) Mạng hai cổng (b) mạch tƣơng đƣơng hình T 31 Hình 2.6: Quan hệ trở kháng tƣơng hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trƣờng hợp h=0 , d>0 32 Hình 2.7: Quan hệ trở kháng tƣơng hỗ theo khoảng cách chuẩn hóa trƣờng hợp d=0, s=h-l>0 33 Hình 2.8: Các ngu n gây tƣơng hỗ thành phần hệ đa anten mạch dải 34 Hình 2.9: Sắp xếp anten mạch dải chữ nhật (a) tr n mặt phẳng E (b) tr n mặt phẳng H 35 Hình 2.10: Quan hệ tƣơng hỗ phần tử anten theo khoảng cách [8 36 viii Hình 2.11: Quan hệ điện dẫn tƣơng hỗ chuẩn hóa với khoảng cách hai anten mạch dải chữ nhật (W=1.186 cm, L=0.906 cm, ɛr=2.2, λ0= 3cm) 37 Hình 2.12: (a) Mơ hình anten (b) kết đo tham số tán xạ (l 1=24; l2=18,2; g=0.5; fg=2.85; h=1,1; đơn vị mm) [15] 42 Hình 2.13: Mạng cách ly sử dụng phần tử điện kháng [16] 43 Hình 2.14: Anten MIMO hai phần tử đơn cực với mạng cách ly (L=45; W= 22; S= 8,5; La= 22,5; đơn vị mm) [16] 45 Hình 2.15: Kết mơ thực nghiệm tổn hao ngƣợc cách ly anten MIMO khơng có mạng cách ly [16] 46 Hình 2.16: Kết mơ thực nghiệm tổn hao ngƣợc cách ly anten MIMO có mạng cách ly [16] 46 Hình 2.17: Tƣơng hỗ hai anten lƣỡng cực đặt gần tƣơng hỗ h hai anten lƣỡng cực có th m phần tử ký sinh [17] 47 Hình 2.18: Mơ hình anten MIMO hai khe xạ với phần tử đơn cực ký sinh [18] 49 Hình 2.19: Phân bố d ng điện tr n anten MIMO khơng có có phần tử đơn cực ký sinh [18] 49 Hình 2.20: Kết mơ tham số tán xạ khơng có có phần tử đơn cực ký sinh [18] 50 Hình 2.21: Cấu trúc SMLR đề xuất đặt hai phần tử anten vi dải [19] 50 Hình 2.22: Phân bố d ng điện anten (a) khơng có cấu trúc SMLR (b) có cấu trúc SMLR [19] 51 Hình 2.23: Kết mơ tham số tán xạ anten khơng có có cấu trúc SMLR [19] 51