Phân tíh, thiết kế và hế tạo mẫu anten ho thiết bị đầu uối thông tin vô tuyến

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - NGUYỄN VĂN NHUNG PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU ANTEN CHO THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI THÔNG TIN VÔ TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM THÀNH CÔNG HÀ NỘI – 2014 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131929551000000 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan viết luận văn tìm hiểu nghiên cứu thân Mọi kết nghiên cứu ý tưởng tác giả khác, có trích dẫn từ nguồn gốc cụ thể Luận văn chưa bảo vệ Hội đồng bảo vệ luận văn Thạc sỹ chưa công bố phương tiện thông tin Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Hà Nội, ngày 24 tháng năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Nhung LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu làm việc nghiêm túc, khẩn trương với giúp đỡ hướng dẫn tận tình TS Phạm Thành Công với bảo thầy, cô Viện Điện tử Viễn thông - Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn “Phân tích, thiết kế chế tạo mẫu anten cho thiết bị đầu cuối thơng tin vơ tuyến” hồn thành Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thành Công trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy, cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông, Viện đào tạo sau đại học- Đại học Bách Khoa Hà Nội, tạo điều kiện tốt cho tơi nghiên cứu, thực hiện, để hồn thành luận văn tiến độ, tập thể bạn bè đồng nghiệp tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tham gia đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tác giả từ công việc suốt thời gian nghiên cứu hoàn thành luận văn Tuy nỗ lực phấn đấu, thời gian có hạn luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót hạn chế Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp, bổ sung Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp bạn đọc để luận văn hồn thiện Tơi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 24 tháng năm 2014 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN 12 Giới thiệu Anten 12 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển Anten 12 1.1.2 Giới thiệu hệ thống thu phát 12 1.1.3 Vị trí Anten kỹ thuật vô tuyến điện 13 1.1.4 Những yêu cầu Anten 14 1.1.5 Các loại Anten 15 1.2 Lý thuyết Anten 16 1.2.1 Q trình xạ sóng điện từ .16 1.2.2 Vận tốc truyền lan sóng điện từ 18 1.2.3 Dải tần dải tần công tác 23 1.2.3.1 Dải thông tần .23 1.2.3.2 Dải tần công tác 23 1.2.4 Hệ phương trình Maxwell .24 1.2.5 Các tham số Anten 29 1.2.5.1 Hệ số định hướng 29 1.2.5.2 Hệ số tăng ích 31 1.2.5.3 Băng thông 32 1.2.5.4 Phân cực 33 1.2.5.5 Trở kháng vào 37 1.2.5.6 Tỷ số sóng đứng điện áp 38 CHƯƠNG 2.1 TỔNG QUAN VỀ ANTEN PIFA 39 Giới thiệu anten PIFA 39 2.1.1 Cấu tạo anten PIFA .39 2.1.2 Mơ hình điện 40 2.1.3 Ưu nhược điểm anten PIFA 40 2.1.4 Ứng dụng PIFA thực tế 41 2.2 Các thông số kỹ thuật anten PIFA 42 2.2.1 Tần số cộng hưởng 42 2.2.2 Băng thông 42 2.2.3 Đồ thị xạ 44 2.2.4 Độ rộng búp sóng 46 2.2.5 Hệ số phẩm chất Q 46 2.2.6 Hiệu suất xạ 47 2.3 Đường truyền vi dải 48 2.3.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 48 2.3.2 Cấu trúc trường đường truyền vi dải 48 2.4 Các kỹ thuật cấp nguồn cho anten PIFA 50 2.4.1 Cấp nguồn đường truyền vi dải 50 2.4.2 Cấp nguồn probe đồng trục 51 2.4.3 Cấp nguồn phương pháp ghép khe 52 2.5 Tính tốn kích thước cho anten PIFA 53 2.6 Công nghệ đa băng cho anten PIFA 54 2.6.1 Sử dụng hai patch riêng rẽ 54 2.6.2 Cắt rãnh patch 55 2.6.2.1 Sử dụng rãnh L 55 2.6.2.2 Sử dụng rãnh chữ U 55 CHƯƠNG 3.1 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN PIFA 58 Thiết kế 58 3.2 Mô 60 3.2.1 Mơ hình anten PIFA HFSS 60 3.2.2 Kết mô 60 3.2.2.1 Tỉ số S11 .60 3.2.2.2 Trở kháng 61 3.2.2.3 Đồ thị phương hướng 61 CHƯƠNG - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 CHƯƠNG - TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TM Transverse Magnetic Wave Sóng từ ngang TE Transverse Elctric Wave Sóng điện ngang TEM Transverse Electromagnetic Wave Sóng điện từ ngang MoM Moment of Method Phương pháp moment FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp miền thời gian hữu hạn AF Array Factor Hệ số mảng 2D Two Dimensional Hai chiều 3D Three Dimensional Ba chiều Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số điện áp sóng đứng Bandwidth Băng thơng VSWR BW HFSS BW High Frequency Structure Simulator Bộ mô cấu trúc tần số cao Băng thơng Bandwidth DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thơng tin 12 Hình 1.2: Các loại anten 15 Hình 1.3: Hệ thống xạ 16 Hình 1.4: Ví dụ mạch dao động tập trung 17 Hình 1.5: Sự quay vector điện trường phân cực ellip 34 Hình 1.6: Phân cực ellip z = .34 Hình 2.1: Anten PIFA .39 Hình 2.2: Mơ hình điện anten PIFA 40 Hình 2.3: Anten PIFA điện thoại di động .41 Hình 2.4: Cắt rãnh mặt phẳng ground 43 Hình 2.5: Ground hình L 44 Hình 2.6: Ground thường 44 Hình 2.7: Hệ tọa độ cho phân tích anten 45 Hình 2.8: Mơ hình đường truyền vi dải 48 Hình 2.9: Giản đồ trường đường truyền vi dải 49 Hình 2.10: Cấp nguồn đường truyền vi dải .50 Hình 2.11: Cấp nguồn probe đồng trục 51 Hình 2.12: Cấp nguồn phương pháp ghép khe 52 Hình 2.13: Kích thước anten PIFA 53 Hình 2.14: Sử dụng hai miếng patch riêng rẽ 54 Hình 2.15: Sử dụng rãnh L patch 55 Hình 2.16: Sử dụng rãnh U patch .55 Hình 2.17: Sử dụng khe phân nhánh 56 Hình 2.18: Gấp nếp miếng Patch 56 Hình 3.1: Cấu trúc patch 59 Hình 3.2: Mơ hình anten PIFA HFSS .60 Hình 3.3: Đáp ứng tần số tỉ số S11 60 Hình 3.4: Đồ thị trở kháng 61 Hình 3.5: Đồ thị phương hướng f = 900MHz 61 Hình 3.6: Đồ thị phương hướng f = 1800MHz 62 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần Việt Nam, với phát triển ngành công nghệ thông tin ngành điện tử viễn thông, nhiều công nghệ đời nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin người Truyền phát thông tin vô tuyến phương thức truyền phát nghiên cứu ứng dụng phổ biến đặc tính ưu việt riêng Với mục đích nắm bắt làm chủ công nghệ này, luận văn tập trung nghiên cứu, phân tích mơ anten thu phát thiết bị đầu cuối, cụ thể luận văn tác giả vào thiết kế mô mẫu anten PIFA, ứng dụng cho hệ thống thu phát vơ tuyến GSM Mục đích nghiên cứu − Phân tính, thuật tốn tham số anten − Thực mô sử dụng phần mềm − Tối ưu hóa thiết kế dùng phần mềm − Chế tạo mẫu đo đạc thực Đối tượng nghiên cứu Một số tài liệu kỹ thuật phân tích thiết kế anten, kỹ thuật truyền phát thơng tin vô tuyến Các viết báo cơng nghệ thu phát vơ tuyến, cơng trình nghiên cứu đặc tính anten PIFA Kỹ thuật mơ phỏng, ứng dụng công tác nghiên cứu chế tạo Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Tính thực tiễn đề tài: Trong thời gian gần nhu cầu thông tin vô tuyến phát triển nhanh hầu hết lĩnh vực từ thông tin vô tuyến thông tin di động, truy cập Internet không dây,… Mỗi thiết bị vô tuyến cần phải có 10