Nghiên cứu cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS cho thiết kế anten băng tần milimet trong truyền thông di động 5g

Đồ án tốt nghiệp đại học MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH i MỤC LỤC BẢNG iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv LỜI NÓI ĐẦU LỜI CẢM ƠN CHƢƠNG 1: TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG THẾ HỆ (5G) 1.1 Sự phát triển hệ thống thông tin di động 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Các hệ thống thông tin di động 1.2 Tổng quan 5G 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Các công nghệ hệ thống then chốt 1.2.3 Kiến trúc hệ thống thu phát 5G 11 1.2.4 Băng tần hoạt động yêu cầu kỹ thuật cho anten 15 1.3 Kết luận chƣơng 21 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ANTEN PATCH 22 2.1 Lý thuyết anten 22 2.1.1 Định nghĩa 22 2.1.2 Các tham số 22 2.2 Anten patch 23 2.2.1 Định nghĩa 23 2.2.2 Cấu trúc 23 2.2.3 Đặc điểm 24 2.2.4 Hoạt động 26 2.2.5 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten patch 27 2.2.6 Ứng dụng 30 2.3 Kết luận chƣơng 30 CHƢƠNG 3: CẤU TRÚC MẶT PHẲNG ĐẤT KHUYẾT DGS 31 3.1 Giới thiệu 31 Phạm Đình Sơn – D13VT6 Đồ án tốt nghiệp đại học 3.2 Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (DGS) 31 3.3 Các đặc tính cấu trúc DGS .32 3.3.1 Nguyên lý hoạt động 32 3.3.2 Mô hình mạch cộng hƣởng cho cấu trúc DGS 33 3.4 Ứng dụng DGS 35 3.4.1 Bộ lọc thông thấp DGS 35 3.4.2 Ống dẫn sóng đồng phẳng 37 3.4.3 Ứng dụng vào Anten Patch 38 3.5 Kết luận chƣơng 41 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ ANTEN BĂNG TẦN MILIMET CHO TRUYỀN THÔNG 5G SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS 42 4.1 Tiến trình thiết kế .42 4.2 Phần mềm CST (Computer Simulation Technology) .43 4.3 Anten 5G sử dụng cấu trúc DGS băng tần milimet 45 4.3.1 Giới thiệu 45 4.3.2 Thiết kế 45 4.3.3 Kết 48 4.4 Kết luận chƣơng 52 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 Phạm Đình Sơn – D13VT6 Đồ án tốt nghiệp đại học MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Kiến trúc hệ thống truyền thông 5G 11 Hình 1.2 Transmission Lines (a) Microstrip (b) Stripline (c) CPW (d) CBCPW (e) SIW 13 Hình 1.3 Các cấu hình triển khai massive MIMO .17 Hình 1.4 Chùm xạ anten mảng 18 Hình 1.5 Các dạng hình học anten mảng 19 Hình 1.6 Cấu hình anten MIMO mô điện thoại di động 20 Hình 1.7 Đồ thị xạ anten MIMO 20 Hình 2.1 Mơ hình truyền sóng 22 Hình 2.2 Một số hình dạng patch thơng dụng .23 Hình 2.3 Cấu trúc đơn giản anten patch 24 Hình 2.4 Mật độ dòng phân bố điện tích anten patch 25 Hình 2.5 Phân bố từ trường patch mode TM 100 .26 Hình 2.6 Anten patch với khe xạ tương đương 26 Hình 2.7 Hoạt động anten patch 27 Hình 2.8 Sóng phản xạ anten patch 27 Hình 2.9 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải 21 Hình 2.10 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục 21 Hình 2.11 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe-Aperture coupled .22 Hình 2.12 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép tần-proximity coupled 22 Hình 3.1 Một số khuôn mẫu DGS 32 Hình 3.2 DGS chng 33 Hình 3.3 Sơ đồ tương đương lọc thông thấp DGS 33 Hình 3.4 Mạch tương đương hình π cho cấu trúc DGS (a) Mạch tương đương; (b) Mạch hình π 34 Hình 3.5 RC lọc thông thấp 36 Hình 3.6 Đáp ứng tần số lọc thông thấp 37 Hình 3.7 Hướng dẫn sóng đồng trục với cơng nghệ SIW gắn với DGS .38 Hình 3.8 Hình học anten microstrip hình tam giác 39 Hình 3.9 Hình học anten microstrip phân cực tròn phân cực tròn với DGS 39 Hình 3.10 Cấu hình Anten ba khe với nhiều tần số cộng hưởng 40 Phạm Đình Sơn – D13VT6 i Đồ án tốt nghiệp đại học Hình 3.11 Hình học kích thước anten khe vng vng in hình chữ nhật với khe quay (a) (b) Khe quay có vạch trung tâm 40 Hình 3.12 Dây Microstrip với mơ hình DGS mặt phẳng mặt đất 41 Hình 4.1 Lưu đồ tiến trình thiết kế 42 Hình 4.2 Giao diện chào mừng CST STUDIO SUITE .43 Hình 4.3 Giao diện chào mừng CST MICROWAVE STUDIO 44 Hình 4.4 Giao diện cơng cụ History list 44 Hình 4.5 Giao diện hướng dẫn sử dụng .45 Hình 4.6 Cấu trúc anten khơng có DGS 47 Hình 4.7 Cấu trúc DGS .47 Hình 4.8 Cấu trúc anten có DGS 48 Hình 4.9 Đồ S11 anten 48 Hình 4.10 Đồ thị xạ 3D 2D anten băng tần 38 Ghz .49 Hình 4.11 Đồ S11 anten 49 Hình 4.12 Đồ thị xạ 3D 2D anten băng tần 28 Ghz .50 Hình 4.13 Đồ thị xạ 3D 2D anten băng tần 38 Ghz .50 Hình 4.14 Anten 5G milimet chế tạo thực tế .51 Hình 4.15 Đồ thị tham số S11 đo kiểm 51 Phạm Đình Sơn – D13VT6 ii Đồ án tốt nghiệp đại học MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1 So sánh truyền thơng 5G với cơng nghệ truyền thơng trước Bảng 1.2 Đặc tính suy hao số bước sóng milimet 21 Bảng 3.1 So sánh PBG, EBG DGS 32 Bảng 4.1 Nguyên liệu chế tạo anten .46 Bảng 4.2 Kích thước anten 46 Bảng 4.3 Tham số cấu trúc DGS 47 Bảng 4.4 Tổng hợp tham số anten DGS 49 Bảng 4.5 Tổng hợp tham số anten có DGS 50 Bảng 4.6 So sánh tham số anten khơng có DGS có DGS 51 Phạm Đình Sơn – D13VT6 iii Đồ án tốt nghiệp đại học DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4G 4th Generation Thế hệ mạng di động thứ 5G 5th Generation Thế hệ mạng di động thứ CBCPW Conductorbacked coplanar waveguide CPW Coplanar waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng DGS International Telecommunications Union Liên minh Viễn Thông Quốc Tế EBG Electronmagnetic Band Gap Dải chắn điện từ GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FEM Finite element Method Phương pháp phần tử hữu hạn LAN Local Area Network Mạng máy tính cục LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MIMO Multi Input, Multi Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu MoM Method of Moment Phương pháp momen PCB Printed circuit board Bảng mạch in QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ RF Radio frequency Tần số vô tuyến RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng tần số vô tuyến SMD Surface Mount Device Thiết bị lắp đặt bề mặt SMT Surface Mount Technology Công nghệ dán bề mặt VR Virtual Reality Thực tế ảo Phạm Đình Sơn – D13VT6 iv Đồ án tốt nghiệp đại học LỜI NÓI ĐẦU Trong năm năm gần đây, nghiên cứu hệ mạng di dộng thứ (5G) hướng đề tài nhà khoa học trọng Đây hệ công nghệ thông tin di động sau hệ 4G, giai đoạn phát triển hứa hẹn ứng dụng rộng rãi tương lai gần 5G khắc phục nhược điểm 4G-LTE hệ trước đó, đặc biệt tốc độ truyền tải vượt trội Trong truyền thơng vơ tuyến nói chung thơng tin di động nói riêng, anten thành phần quan trọng thiếu vận hành toàn hệ thống Nghiên cứu, phát triển mẫu anten sử dụng băng tần minimet 5G điều tất yếu ưu điểm trội mà dải tần mang lại Một thách thức đặt thiết bị di động ngày nhỏ phương pháp cải tiến thơng số anten vi dải nghiên cứu, phương pháp thay đổi cấu trúc mặt phẳng đất khuyết Defected Ground Structure (DGS) Kỹ thuật đơn giản tạo dị tật mặt phẳng đất anten vi dải lại mang lại nhiều hiệu cho anten Chính em chọn đề tài “Nghiên cứu cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS cho thiết kế anten băng tần milimet truyền thông di động 5G” Nội dung báo cáo gồm: Chương 1: Truyền thông di động hệ thứ (5G) Chương 2: Nghiên cứu anten vi dải Chương 3: Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyền thông di động 5G sử dụng cấu trúc DGS Mặc dù cố gắng hết sức, thời gian kiến thức hạn chế nên trình nghiên cứu trình bày đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ý kiến đánh giá hữu ích thầy để hồn thiện kiến thức, khả thân Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, Tháng 11 năm 2017 Sinh viên thực đề tài: Phạm Đình Sơn Phạm Đình Sơn – D13VT6 Đồ án tốt nghiệp đại học LỜI CẢM ƠN Sau q trình học tập, tích lũy kiến thức Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn thơng, đạo Khoa Viễn Thông 1, em nhận hội làm đồ án để hoàn thành khối kiến thức tốt nghiệp Đây không cột mốc đánh dấu kết thúc cho trình học tập lâu dài giảng đường đại học, mà hội để lớp sinh viên chúng em vận dụng điều học vào giải toán thực tế, giai đoạn quan trọng để sinh viên hoàn thiện kỹ trước bước vào mơi trường làm việc thực tế đầy khó khăn Để hoàn thành đồ tốt án này, cố gắng từ thân người chưa đủ, chất lượng hoàn thiện đồ án bị ảnh hưởng lớn từ người xung quanh, đặc biệt người thân, người thầy trực tiếp hướng dẫn dạy Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, đặc biệt thầy cô khoa Viễn Thông truyền dạy kiến thức tạo điều kiện cho chúng em tham gia hoạt động nghiên cứu suốt trình học tập Học viện Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo ThS Dương Thị Thanh Tú, khơng có dẫn dắt tận tình suốt q trình học tập nghiên cứu em khó có kết học tập tốt hoàn thành đồ án Xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ, anh chị, người bạn bên, tạo điều kiện cho tơi hồn thành nhiệm vụ Phạm Đình Sơn Phạm Đình Sơn – D13VT6 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động hệ (5G) CHƢƠNG 1: TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG THẾ HỆ (5G) Trong thiết bị di động hỗ trợ mạng 4G thống trị thị trường nhà sản xuất bắt đầu chuẩn bị cho đua 5G – hệ mạng không dây đánh bại WIFI tương lai Mới đây, Liên minh Viễn Thông Quốc Tế (ITU - International Telecommunications Union) đưa thông tin dự thảo công nghệ vô tuyến IMT-2020, khẳng định công nghệ mạng nhất, 5G, đạt tốc độ vượt trội hệ mạng không dây tương lai 1.1 Sự phát triển hệ thống thông tin di động 1.1.1 Giới thiệu chung Thông tin di động không ngừng phát triển ngày đòi hỏi kỹ thuật tiên tiến công nghệ cao Ý tưởng liên lạc tức thời mà không quan tâm đến khoảng cách địa lý ý tưởng lớn loài người ý tưởng trở thành thực nhờ trợ giúp kỹ thuật công nghệ Việc sử dụng sóng vơ tuyến để truyền thơng tin diễn lần vào cuối kỷ 19 Kể từ trở thành cơng nghệ ứng dụng rộng rãi thông tin quân đội sau thông tin vô tuyến công cộng Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động trải qua giai đoạn phát triển quan trọng Từ hệ thống thông tin di động tương tự- hệ thứ đến hệ thống thông tin di động số- hệ thứ hai, hệ thống thông tin di động băng rộng- hệ thứ ba triển khai phạm vi tồn cầu hệ thống thơng tin di động đa phương tiện- hệ thứ tư Dịch vụ chủ yếu hệ thống thông tin di động thứ thứ hai chủ yếu thoại dịch vụ hệ thứ ba thứ tư phát triển dịch vụ liệu đa phương tiện 1.1.2 Các hệ thống thông tin di động  Thế hệ thứ (1G) Mạng thông tin di động hệ thứ mạng thông tin di động không dây giới Nó hệ thống giao tiếp thơng tin qua kết nối tín hiệu analog giới thiệu lần vào năm đầu thập niên 80s Nó sử dụng ăng-ten thu phát sóng gắn ngồi, kết nối theo tín hiệu analog tới trạm thu phát sóng nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua module gắn máy di động Chính mà hệ máy di động giới có kích thước to cồng kềnh tích hợp lúc module thu tín phát tín hiệu Các đặc trưng hệ thống mạng 1G là: dung lượng thấp, kỹ thuật chuyển mạch tương tự, xác suất rớt gọi cao, khả handoff (chuyển gọi tế bào) không tin cậy, chất lượng âm thấp, khơng có chế bảo mật… Mặc dù hệ mạng di động với tần số từ 150MHz mạng 1G phân nhiều chuẩn kết nối theo phân vùng riêng giới: NMT (Nordic Mobile Telephone) chuẩn dành cho nước Bắc Âu Nga; AMPS (Advanced Mobile Phone System) Hoa Kỳ; TACS (Total Access Communications System) Anh; JTAGS Nhật; C-Netz Tây Đức; Radiocom 2000 Pháp; RTMI Ý Phạm Đình Sơn – D13VT6 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động hệ (5G)  Thế hệ thứ hai (2G) Mạng thông tin di động 2G hệ kết nối thơng tin di động mang tính cải cách khác hoàn toàn so với hệ Nó sử dụng tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog hệ 1G áp dụng lần Phần Lan Radiolinja (hiện nhà cung cấp mạng tập đoàn Elisa Oyj) năm 1991 Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động lợi ích tiến suốt thời gian dài: mã hoá liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng 1G đặc biệt xuất tin nhắn dạng văn đơn giản – SMS Theo đó, tín hiệu thoại thu nhận đuợc mã hố thành tín hiệu kỹ thuật số nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại lưu chuyển băng thơng, tiết kiệm thời gian chi phí Song song đó, tín hiệu kỹ thuật số truyền nhận hệ 2G tạo nguồn lượng sóng nhẹ sử dụng chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên thiết bị hơn… Mạng 2G chia làm nhánh chính: TDMA (Time Division Multiple Access) CDMA nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng từ thiết bị hạ tầng phân vùng quốc gia: - GSM (Global System Mobile) Ra đời năm 1988 GSM chuẩn phổ biến cho thông tin di động tế bào, tỉ người giới sử dụng loại hình dịch vụ chuẩn phủ sóng 200 quốc gia tồn giới Chuẩn cho phép roaming toàn cầu với mạng chuẩn mang lại tiện ích lớn cho người sử dụng, họ mang máy tới nơi đâu cần nhà điều hành mạng kết nối mạng lưới sử dụng họ với Sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy cập theo thời gian TDMA theo tần số FDMA nhờ thời điểm có thuê bao sử dụng chung kênh toàn tốc (Full Rate) 13Kbps 16 thuê bao dùng chung kênh bán tốc (Haft Rate) 6Kbps Điện thoại GSM sử dụng SIM - CARD nhà điều hành cấp, SIM máy tính nhỏ lưu trữ danh bạ thơng tin từ nhà điều hành mạng, th bao liên kết với mạng nhờ thẻ SIM GSM khai thác băng tần 900MHz 1800MHz, số nơi khai thác băng tần 850MHz 1900MHz Mỹ Canada băng 900MHz 1800MHz bị khai thác hết Công suất MS tối đa với GSM900 2.5W, GSM1800 1W Bán kính phủ sóng GSM phụ thuộc vào độ cao, tăng ích ăng-ten điều kiện truyền sóng Bán kính tối đa cho vùng phủ sóng 35Km Ở Việt Nam có nhà điều hành mạng khai thác băng tần GSM900: Viettel, Vinaphone, MobiPhone Riêng có MobiPhone, Viettel triển khai khai thác băng tần GSM1800 - IS95 (CDMA ONE) IS95 mạng tế bào số sử dụng phương pháp đa truy nhập kiểu CDMA nên gọi CDMA ONE Qualcom đề suất triển khai Mỹ Phạm Đình Sơn – D13VT6 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 3: Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS Hình 3.10 Cấu hình Anten ba khe với nhiều tần số cộng hưởng Thiết kế Anten dựa miếng vá đơn cho hoạt động ba tần số trình bày với DGS Anten microstrip ba băng tần thực thu nhỏ cách sử dụng DGS DGS có cấu trúc khe cắm hình chữ L đơn mặt phẳng mặt đất Anten thông thường để tạo anten đa băng  Anten băng rộng DGS sử dụng cho Anten microstrip băng rộng cực rộng Như hình 3.11(a), khiếm khuyết hình vng tích hợp mặt phẳng đường microstrip mở để tăng băng thông anten microstrip Hơn nữa, phần tử hình vng ký sinh sử dụng trung tâm khiếm khuyết vuông mặt phẳng mặt đất bên đường microstrip thể hình 3.11 (b) Hình 3.11 Hình học kích thước anten khe vng vng in hình chữ nhật với khe quay (a) (b) Khe quay có vạch trung tâm Một DGS dạng đôi sử dụng để mở rộng băng thông trở kháng anten đơn cực microstrip thông thường DGS tích hợp với anten hình chữ nhật để nâng cao băng thông Một cặp khe hình chữ L cấu trúc ký sinh mặt phẳng trình bày để tăng cường băng thông với miếng vá xạ vuông  Giảm kích thước Antenna với DGS Phạm Đình Sơn – D13VT6 40 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 3: Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS Điện dung độ tự cảm hiệu dụng mơ hình thay đổi cách gắn khe mặt đất, dẫn đến dịch chuyển tần số cộng hưởng tới phía Do đó, gọn nhẹ đạt cách sử dụng DGS Một số nghiên cứu báo cáo vấn đề Độ gọn nhẹ 30% đạt cách sử dụng khe uốn khúc mặt đất Một khe hình T tích hợp mặt phẳng từ để đạt độ thu nhỏ nhỏ gọn 80%  Bề mặt phát/phản xạ cho anten hệ số tăng ích cao Cấu trúc DGS thiết kế cho anten có hệ số tăng ích khoảng 20dBi Thơng thường anten parabol mảng anten lớn có hệ số tăng ích cao Tuy nhiên bề mặt cong anten parabol khó thích hợp với dàn di động mảng anten lớp bị mạng cung cấp Bề mặt DGS phẳng giải vấn đề Ví dụ hình 3.12 sử dụng anten cộng hưởng hệ số tăng ích cao Hình 3.12 Dây Microstrip với mơ hình DGS mặt phẳng mặt đất 3.5 Kết luận chƣơng Trong chương này, tiến triển DGS trình bày Những ý tưởng đằng sau nguyên tắc làm việc đưa Mơ hình mạch đặc điểm hình dạng DGS thảo luận Các kỹ thuật khác trình bày để phân tích DGS Vai trò DGS lĩnh vực anten microstrip trình bày với ứng dụng khác DGS, là, thu nhỏ, hiệu suất đa băng tần, tăng cường băng thông, giảm tương hỗ phần tử xạ hệ đa anten Phạm Đình Sơn – D13VT6 41 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thông 5G sử dụng cấu trúc DGS CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ ANTEN BĂNG TẦN MILIMET CHO TRUYỀN THÔNG 5G SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS Trong chương này, em xin đề xuất anten patch với kết cấu gồm anten patch xạ hình chữ nhật kết hợp với cấu trúc DGS mặt anten thiết kế cho mạng di động 5G hoạt động tần số 28GHz 38Ghz Q trình thiết kế, mơ thực phần mềm CST SUITE STUDIO 2015 4.1 Tiến trình thiết kế Hình 4.1 Lưu đồ tiến trình thiết kế Trên hình 4.1 lưu đồ mơ tả tiến trình thiết kế anten thực chương đồ án Các giai đoạn bao gồm - Nghiên cứu lý thuyết công nghệ 5G băng tần millimet: Đây giai đoạn tìm hiểu để nắm kiến thức kỹ thuật sử dụng cơng nghệ, từ lựa chọn cơng nghệ thiết kế anten phù hợp với yêu cầu hệ thống - Lựa chọn công cụ thiết kế mô phỏng: Giai đoạn lựa chọn phần mềm mô phù hợp với đối tượng, phần mềm chọn CST Studio Suite - Lựa chọn tham số thiết kế: Đây giai đoạn định loại anten thiết kế, băng tần hoạt động anten yêu cầu kỹ thuật cần đạt Phạm Đình Sơn – D13VT6 42 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thông 5G sử dụng cấu trúc DGS - Thiết kế, mô anten đánh giá kết quả: Giai đoạn thực thiết kế anten công thức lý thuyết, sau mơ anten lý thuyết để đánh giá kết Nếu kết mô không đạt yêu cầu, thông số cấu trúc anten hiệu chỉnh, tối ưu hóa mơ lại Q trình hiệu chỉnh mơ lặp lại đạt kết đạt yêu cầu 4.2 Phần mềm CST (Computer Simulation Technology) Đáp ứng nhu cầu nghiên cứu chế tạo thiết bị công nghệ ngày gia tăng, hàng loạt công cụ hỗ trợ thiết kế mô đời phát triển mạnh mẽ, phải kể đến phần mềm CST STUDIO SUITE CST phần mềm đa bao gồm nhiều công cụ như: CST MICROWAVE STUDIO, CST EM STUDIO, CST PARTICLE STUDIO… Khởi động vào CST, bảng chào mừng với công cụ thiết kế mô cho người dùng tùy chọn Với yêu cầu thiết kế anten patch, ta sử dụng cơng cụ CST MICROWAVE STUDIO Hình 4.2 Giao diện chào mừng CST STUDIO SUITE Sau chọn vào CST MICROWAVE STUDIO, giao diện cơng cụ mở với bảng lựa chọn cấu hình loại anten Ví dụ với anten patch có cấu hình nhỏ gọn, ta chọn Antenna (Planar) Mục bỏ qua thiết lập lại cấu hình anten menu Solve → Units Phạm Đình Sơn – D13VT6 43 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thông 5G sử dụng cấu trúc DGS Hình 4.3 Giao diện chào mừng CST MICROWAVE STUDIO CST có giao diện đồ họa trực quan thân thiện, tích hợp nhiều cơng cụ tính tốn hỗ trợ thiết kế xác tính bước sóng, điện dung, điện cảm, tần số,… Giao diện phần tử thiết kế kết mô xếp dạng hình (Navigation Tree) giúp trình kiểm tra so sánh kết trực quan thuận tiện Đặc biệt, CST có chế độ chỉnh sửa xuyên thời gian công cụ History list Với công cụ này, ta thực chỉnh sửa, xóa tạm thời, khôi phục chi tiết theo thứ thứ tự thiết kế Điều đặc biệt hữu dụng phải chỉnh sửa chi tiết phải thiết kế theo qua nhiều giai đoạn mà thiết kế lại từ đầu Hình 4.4 Giao diện cơng cụ History list Phạm Đình Sơn – D13VT6 44 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thơng 5G sử dụng cấu trúc DGS CST có hệ thống trợ giúp người dùng mạnh mẽ với clip hướng dẫn trực quan kèm file nguồn thiết kế mẫu Hình 4.5 Giao diện hướng dẫn sử dụng Không phần mềm hỗ trợ công tác nghiên cứu đơn thuần, CST cơng cụ công ty thiết kế, chế tạo thiết bị kỹ thuật, viễn thông Viettel Core, Errison, tin dùng 4.3 Anten 5G sử dụng cấu trúc DGS băng tần milimet 4.3.1 Giới thiệu Tiếp nối phát triển mạnh mẽ mạng di động 4G, mạng di động hệ năm (5G) đời hứa hẹn mang tới ưu vượt trội: tốc độ truyền liệu cực cao, độ trễ vô thấp, nâng cao đáng kể dung lượng kênh có khả đáp ứng số lượng thuê bao khổng lồ Nghiên cứu, phát triển mẫu anten sử dụng băng tần minimet 5G điều tất yếu ưu điểm trội mà dải tần mang lại Một số tần số tiêu biểu đề nghị sử dụng 5G là: 28 Ghz, 38 Ghz 4.3.2 Thiết kế Anten patch sử dụng patch hình chữ nhật tiếp điện đường vi dải Q trình tính tốn lý thuyết cho anten patch sử dụng công thức đây: - - Chiều rộng patch: Hằng số điện môi hiệu dụng: Phạm Đình Sơn – D13VT6 W f r 0  reff  c   r  fr  r   r 1   h  12    W r 1  45 Đồ án tốt nghiệp đại học - Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thông 5G sử dụng cấu trúc DGS Chiều dài mở rộng patch: Chiều dài thực patch: L  0.412h  reff  reff W   0.3   0.264  h  W   0.258    0.8  h  √ Nguyên liệu chế tạo anten cho bảng sau: Bảng 4.1 Nguyên liệu chế tạo anten Nguyên liệu Chi tiết Patch Đồng (Copper) Mặt phẳng đế (Ground plane) Đồng Chất Rogers RT5880 ( ) Tiếp điện vi dải nối vào miếng patch Sau q trình tính tốn lý thuyết mơ hiệu chỉnh, anten cuối có kích thước chi tiết cho bảng sau: Bảng 4.2 Kích thước anten STT Chi tiết Tên biến Kich thước (mm) Chiều rộng patch W 3.16 Chiều dài patch L 2.2 Chiều rộng anten Wg 10 Chiêu dài anten Lg 8.5 Chiều dày chất h 0.79 Chiều rộng feed Wf1 0.4 Chiều dài feed Lf1 4.07 Chiều rộng feed Wf2 Chiều dài feed Lf2 0.25 10 Chiều rộng feed Wf3 1.4 11 Chiều dài feed Lf3 0.29 Phạm Đình Sơn – D13VT6 46 Đồ án tốt nghiệp đại học  Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thông 5G sử dụng cấu trúc DGS Cấu trúc anten khơng có DGS : a) Mặt trước b) Mặt sau Hình 4.6 Cấu trúc anten khơng có DGS  Cấu trúc DGS đề xuất: Hình 4.7 Cấu trúc DGS Bảng 4.3 Tham số cấu trúc DGS STT Chi tiết Tên biến Kich thước (mm) Chiều rộng khe DGS Wdgs 1.6 Chiều dài khe DGS Ldgs 1.45 Chiều rộng khe DGS W1dgs Khoảng cách DGS Gdgs 1.2 Đường kính hình tròn Rdgs 0.33 Phạm Đình Sơn – D13VT6 47 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thông 5G sử dụng cấu trúc DGS  Mơ hình cấu trúc anten có DGS a) Mặt trước b) Mặt sau Hình 4.8 Cấu trúc anten có DGS 4.3.3 Kết 4.3.3.1 Mơ Q trình thiết kế, mơ anten cấu trúc DGS thực phần mềm CST studio 2015  Mẫu anten khơng có DGS Hình 4.9 Đồ S11 anten Đồ thị tổn hao phản xạ anten hình 4.9 Từ đồ thị, dễ dàng nhận thấy anten cộng hưởng tần số 38GHz với băng thông đạt 2.382 GHz tương đương 6.26% Và độ sâu S11 đạt -19.5 dB Phạm Đình Sơn – D13VT6 48 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thông 5G sử dụng cấu trúc DGS (a) Bức xạ 3D (b) Bức xạ 2D Hình 4.10 Đồ thị xạ 3D 2D anten băng tần 38 Ghz Bảng 4.4 Tổng hợp tham số anten khơng có DGS Tần số cộng hưởng (fr) Độ tăng ích (dB) 38GHz 7.625 dB Hiệu suất xạ tổng (dB) -0.9061 dB Hiệu suất xạ tổng (%) 81.16%  Mẫu anten có DGS Hình 4.11 Đồ S11 anten Đồ thị tổn hao phản xạ anten hình 4.11 Từ đồ thị, dễ dàng nhận thấy anten cộng hưởng hai tần số tần số 28GHz với băng thông đạt 1,169 GHz tương đương 4.175% Không độ sâu S11 đạt -24 dB Và tần số 38GHz với băng thông đạt 2.584 GHz tương đương 6.8% Và độ sâu S11 đạt -21 dB Phạm Đình Sơn – D13VT6 49 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thông 5G sử dụng cấu trúc DGS (a) Bức xạ 3D (b) Bức xạ 2D Hình 4.12 Đồ thị xạ 3D 2D anten băng tần 28 Ghz (a) Bức xạ 3D (b) Bức xạ 2D Hình 4.13 Đồ thị xạ 3D 2D anten băng tần 38 Ghz Bảng 4.5 Tổng hợp tham số anten có DGS Tần số cộng hưởng (fr) 28GHz 38GHz Độ tăng ích (dB) 2.9 dB 7.7 dB Hiệu suất xạ tổng (dB) -1.036 dB -0.7152 dB Hiệu suất xạ tổng (%) 78.77% 84.8%  Đánh giá kết mơ Phạm Đình Sơn – D13VT6 50 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thông 5G sử dụng cấu trúc DGS Bảng 4.6 So sánh tham số anten khơng có DGS có DGS Anten khơng có DGS Băng tần Khơng cộng hưởng 28Ghz Độ tăng ích 7.625dB Băng tần Băng thơng 2.382 Ghz 38Ghz Hiệu suất xạ 81.16% Anten có DGS Kết Gain 2.9dB Tạo thêm băng Băng thông 1.169 Ghz 28Ghz Hiệu suất xạ 78.77% Độ tăng ích tăng 0.075dB Độ tăng ích 7.7dB Băng thơng tăng Băng thơng 2.584 Ghz 0.202 Ghz Hiệu suất xạ 84.8% Hiệu suất xạ tăng 3.64% 4.3.3.2 Thực nghiệm Dưới hình ảnh anten chế tạo a) Mặt trước b) Mặt sau Hình 4.14 Anten 5G milimet chế tạo thực tế Dưới hình chụp từ hình máy đo đồ thị tán xạ S11 anten Hình 4.15 Đồ thị tham số S11 đo kiểm Phạm Đình Sơn – D13VT6 51 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thơng 5G sử dụng cấu trúc DGS Hình 4.15 thể đồ thị tham số S11 mẫu đo kiểm Đường nét liền thể tham số S11 đo Với phương pháp tiếp điện đường vi dải hạn chế tối đa ảnh hưởng việc tiếp điện chế tạo thực tế, mẫu anten chế tạo hoàn toàn đảm bảo hoạt động băng hai băng tần 28Ghz 38Ghz ứng dụng cho công nghệ truyền thông di động thứ 4.4 Kết luận chƣơng Mẫu đề anten 5G sử dụng băng tần milimet sử dụng cấu trúc DGS tạo đa băng hai băng tần 28GHz 38GHz giúp tăng hệ số khuếch đại anten 38GHz 0.075dB tương đương với 0.98% Ngoài ra, hiệu suất băng tần hoạt động tăng 3.64% băng tần 38GHz băng thông hoạt động tăng lên 8.48% Với tính cải thiện cách đáng kể với việc sử dụng cấu trúc DGS, mẫu anten hồn tồn đáp ứng cơng nghệ truyền thơng di động thứ Phạm Đình Sơn – D13VT6 52 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyển thông 5G sử dụng cấu trúc DGS KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu, kết báo cáo đề tài trình bày phân tích cải tiến hệ mạng di động thứ (5G) so với hệ mạng di động trước hệ mạng di động thứ (4G) hệ di động thứ (3G) Cũng điều kiện cần thiết để triển khai thành cơng mạng di động 5G Theo anten patch đời công nghệ đột phá, đáp ứng nhu cầu truyền phát sóng khắt khe đảm bảo tính di động thời trang cho thiết bị đại Mặc dù có nhiều ưu điểm lớn mặt kích thước, cấu trúc, linh hoạt tần số cộng hưởng anten dạng có số nhược điểm như: hiệu suất thấp (do suy hao điện môi điện dẫn), khả tích trữ cơng suất thấp, ảnh hưởng xạ nguồn ni (do sóng bề mặt, đường truyền vi dải …), băng thông hẹp (khoảng vài phần trăm), hầu hết xạ khơng gian phía mặt phẳng đất, số loại có độ lợi thấp… Để giải vấn đề này, nhiều công nghệ đời nghiên cứu phát triển mạnh mẽ kỹ thuật thiết kế anten, phải kể đến cấu trúc DGS Với đặc tính thú vị cấu trúc DGS hứa hẹn tương lai cho hệ anten di động có đặc tính tốt đáp ứng yêu cầu hệ mạng di động thứ (5G) Với nghiên cứu lý thuyết có được, em thực thiết kế, mô thành công mẫu anten sử dụng cấu trúc DGS ứng dụng cho hệ di động thứ (5G) băng tần milimet tạo đa băng hai băng tần 28Ghz 38Ghz Bên cạnh đó, phần kết đề tài có báo: Duong Thi Thanh Tu, Pham Dinh Son, Vu Van Yem, "28/38 Ghz Dual-Band Mimo Antenna With Low Mutual Coupling Using A Couple Of DGS", International Conference on Information and Communication Technology and Digital Convergence Business (ICIDB-2018), accepted Phạm Đình Sơn – D13VT6 53 Đồ án tốt nghiệp đại học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Korany R Mahmoud; Ahmed M Montaser, “Optimised 4 × 4 millimetrewave antenna array with DGS using hybrid ECFO-NM algorithm for 5G mobile networks”, Published in: IET Microwaves, Antennas & Propagation, Year: 2017, [2] Mamta Agiwal, Abhishek Roy and Navrati Saxena, “Next Generation 5G Wireless Networks: A Comprehensive Survey” , IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2015 [3] T Djerafi, O Kramer, N Ghassemi, A B Guntupalli, B Youzkatli-ElKhatib, and K Wu, "Innovative multilayered millimetre-wave antennas for multidimensional scanning and very small footprint applications," in 2012 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), pp 2583-2587, 2012 [4] B H Ku et al., "A 16-element 77–81-GHz phased array for automotive radars with ±50° beam-scanning capabilities," in 2013 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (MTT), pp 1-4, 2013 [5] J Bock and R Lachner, "SiGe BiCMOS and eWLB packaging technologies for automotive radar solutions," in 2015 IEEE MTT-S International Conference on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM), pp 1-4, 2015 [6] Fan Yang and Yahya Rahmat-Samii, “Electromagnetic Band Gap Structures in Antenna Engineering”, The Cambbridge RF and Microwave Engineering Series [7] Ibraeem S Mohamed and Mahmoud A Abdalla, “B8 Reduced size mushroom like EBG for antennas mutual coupling reduction”, 2015 32nd National Radio Science Conference (NRSC), pp 57-64, 2015 [8] Y Kim, F Yang, and A Elsherbeni, “Compact artificial magnetic conductor designs using planar square spiral geometry”, Progress In Electromagnetics Research, PIER 77, pp 43–54, 2007 Phạm Đình Sơn – D13VT6 54 ... Nghiên cứu cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS cho thiết kế anten băng tần milimet truyền thông di động 5G Nội dung báo cáo gồm: Chương 1: Truyền thông di động hệ thứ (5G) Chương 2: Nghiên cứu. .. (5G) Chương 2: Nghiên cứu anten vi dải Chương 3: Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyền thông di động 5G sử dụng cấu trúc DGS Mặc dù cố gắng hết sức,... THIẾT KẾ ANTEN BĂNG TẦN MILIMET CHO TRUYỀN THÔNG 5G SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS 42 4.1 Tiến trình thiết kế .42 4.2 Phần mềm CST (Computer Simulation Technology) .43 4.3 Anten 5G