Luận án nghiên cứu phát triển hệ anten băng thông siêu rộng ứng dụng trong điều kiện làm việc đặc biệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA ĐẶNG ANH TUẤN ận Lu án NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ ANTEN BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC ĐẶC BIỆT n tiế sĩ ới m nh LUẬN ÁN TIẾN SĨ ất CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI, NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA ĐẶNG ANH TUẤN ận Lu NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ ANTEN BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC ĐẶC BIỆT án n tiế CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ sĩ MÃ SỐ: 952 02 03 ới m nh NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC ất PGS.TSKH NGUYỄN HỒNG VŨ TS LÂM HỒNG THẠCH HÀ NỘI, NĂM 2023 LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng mình, với hỗ trợ từ đồng nghiệp thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước, tên đề tài “Nghiên cứu, tiếp nhận làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo hệ thống truyền tin băng thông siêu rộng, ứng dụng xây dựng hệ thống hỗ trợ chẩn đốn tình trạng kỹ thuật động cơ” chủ trì Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa – Bộ Công thương phối hợp với Trường Đại học Bách Khoa Saint Peterburg - Cộng hòa Liên bang Nga Các kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa để bảo vệ học vị Nghiên cứu sinh xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án ận Lu cám ơn, thơng tin trích dẫn luận án rõ nguồn gốc án Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận án n tiế sĩ ới m X Đặng Anh Tuấn ất nh Đặng Anh Tuấn i LỜI CẢM ƠN Trước hết nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TSKH Nguyễn Hồng Vũ, TS Lâm Hồng Thạch, TS Nguyễn Thế Truyện thầy hướng dẫn trực tiếp mặt khoa học đồng thời hỗ trợ nghiên cứu sinh nhiều mặt để nghiên cứu sinh hồn thành luận án Qua đây, xin cảm ơn Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa – Bộ Công Thương tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập, nghiên cứu Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn đồng nghiệp trung tâm Công nghệ thông tin trung tâm Nghiên cứu Phát triển hệ thống thuộc Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học Tự động hóa TS Nguyễn Việt Hưng, giảng viên trường học viện Công nghệ Bưu Viễn ận Lu thơng hỗ trợ tơi q trình đo đạc mơ hình chế tạo thực nghiệm Cuối cùng, dành lời yêu thương đến thành viên gia đình án Sự động viên, giúp đỡ họ động lực mạnh mẽ giúp tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận án n tiế sĩ ới m ất nh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG BIỂU x MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài 1 1.1 Công nghệ UWB hệ thống MIMO 1.2 IoT xu hướng truyền tin không dây hệ ận Lu 1.3 Sự hợp tác VIELINA SPbPU án Mục tiêu, đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học đóng góp luận án Cấu trúc nội dung luận án CHƯƠNG ANTEN TRONG HỆ THỐNG UWB tiế 1.1 Công nghệ UWB n 1.1.1 Tổng quan công nghệ UWB sĩ 1.1.2 Mơ hình truyền dẫn UWB m 1.1.3 Ưu điểm công nghệ UWB 11 ới 1.1.4 Ứng dụng công nghệ UWB 12 Anten UWB 14 1.3 Hệ thống MIMO 15 ất nh 1.2 1.3.1 Kênh truyền MIMO 16 1.3.2 Ưu điểm hệ thống MIMO 18 1.4 Anten MIMO 19 1.5 Các nghiên cứu khoa học anten UWB 23 1.5.1 Các kết nghiên cứu giới 23 1.5.2 Các kết nghiên cứu nước 26 1.6 Hướng nghiên cứu luận án 29 1.7 Kết luận chương I 30 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN ANTEN UWB ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN TIN TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẶC BIỆT 32 iii Cơ sở thiết kế Anten cho hệ thống 32 2.1 2.1.1 Lựa chọn hệ thống truyền tin không dây điều kiện đặc biệt 32 2.1.2 Yêu cầu kỹ thuật anten thu anten phát 34 2.2 Thiết kế, mô chế tạo anten phát 37 2.2.1 Thiết kế anten 37 2.2.2 Tính tốn, mơ anten 39 2.2.3 Chế tạo đo kiểm anten 42 2.3 Thiết kế, mô chế tạo anten thu 43 2.3.1 Thiết kế anten 43 2.3.2 Tính tốn, mơ anten 46 2.3.3 Chế tạo đo kiểm anten 49 2.4 Kết thử nghiệm hệ thống 52 Lu 2.4.1 Thử nghiệm phịng thí nghiệm 52 ận 2.4.2 Thử nghiệm thực tế xí nghiệp đầu máy xe lửa Hà Nội 57 án Kết luận chương II 59 2.5 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN ANTEN UWB-MIMO SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS 61 tiế 3.1 Hệ thống truyền tin UWB-MIMO điều kiện đặc biệt 61 n 3.2 Một số kỹ thuật giảm ảnh hưởng tương hỗ tăng cường độ cách ly cho Anten UWB-MIMO 61 sĩ m 3.2.1 Thay đổi vị trí hướng đặt anten 62 ới 3.2.2 Sử dụng mạng cách ly 63 nh 3.2.3 Sử dụng cấu trúc siêu vật liệu 63 3.2.4 Sử dụng phần tử ký sinh 64 ất 3.2.5 Sử dụng phương pháp mặt đế khơng hồn hảo DGS 66 3.3 Đề xuất thiết kế cấu trúc DGS 67 3.3.1 Nguyên lý hoạt động cấu trúc DGS 67 3.3.2 Thiết kế cấu trúc DGS 70 3.4 Đánh giá hiệu cách ly cấu trúc DGS 72 3.4.1 Thiết kế anten sử dụng cấu trúc DGS 72 3.4.2 Mô anten khảo sát cấu trúc DGS 73 3.4.3 Đánh giá hiệu cách ly cấu trúc DGS dùng đường vi dải 75 3.4.4 Chế tạo đo kiểm 76 3.5 Thiết kế anten UWB-MIMO sử dụng cấu trúc DGS đề xuất 79 iv Kết luận chương III 87 3.6 KẾT LUẬN 89 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC I: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CHẨN ĐỐN TÌNH TRẠNG KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ 102 Yêu cầu hệ thống 102 1.1 Các thông số giám sát lựa chọn cảm biến 102 1.2 Các vị trí lắp đặt 102 Mơ hình hệ thống 104 PHỤ LỤC II: QUY TRÌNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, ĐO KIỂM ANTEN 106 ận Lu Tổng quan quy trình thiết kế, mơ đo kiểm anten 106 Quy trình thiết kế anten 106 Quy trình chế tạo anten 107 Quy trình đo kiểm anten 109 án 4.1 Đo phối hợp trở kháng 110 tiế 4.2 Đo phương hướng buồng không phản xạ (Anechoic Chamber) 111 n 4.3 Đo độ lợi G 112 sĩ 4.4 Đo phân cực 112 ới m ất nh v Mở đầu MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài 1.1 Công nghệ UWB hệ thống MIMO UWB công nghệ có tiềm lĩnh vực truyền thơng khơng dây tầm ngắn, cung cấp khả truyền thông liệu tốc độ cao Năm 2002, Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kỳ (FFC - Federal Communication Commission) quy định việc sử dụng công nghệ UWB cho ứng dụng thương mại Hoa Kỳ nằm dải tần số từ 3,1 đến 10,6 GHz [1] Công nghệ UWB sử dụng tín hiệu xung có độ rộng xung nhỏ để truyển bit liệu qua môi trường không dây mà không cần thông qua trình điều chế cao tần hệ thống cơng nghệ RF thơng thường Tín hiệu xung UWB có tần số thuật MB-OFDM (Multi-band Orthogonal Frequency Division Multiplexing) kỹ thuật ận Lu xung từ vài GHz vài chục GHz Có hai kỹ thuật UWB chủ yếu sử dụng: kỹ I-UWB (Impulse-UWB) [2] Kỹ thuật MB-OFDM sử dụng nhiều băng điều chế OFDM để án truyền tốc độ cao, dải tần UWB từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz chia thành dải tần tiế nhỏ (subband), subband có băng thơng lớn 500MHz (theo quy định), kỹ thuật n MB-OFDM ứng dụng truyền thông tốc độ từ 53Mbps đến 480Mbps [3] sĩ Trong kỹ thuật I-UWB sử dụng xung cực ngắn