Thiết kế anten mimo tự cấu hình theo tần số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN TRÍ DŨNG Họ tên tác giả luận văn TRẦN TRÍ DŨNG KỸ THUẬT VIỄN THƠNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THIẾT KẾ ANTEN MIMO TỰ CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG 2015B Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Họ tên tác giả luận văn TRẦN TRÍ DŨNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THIẾT KẾ ANTEN MIMO TỰ CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHAN XUÂN VŨ Hà Nội - 2017 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 MỞ ĐẦU Anten thành phần thiết yếu hệ thống thơng tin liên lạc radar có chức thu nhận xạ sóng điện từ Anten nghiên cứu từ lâu, chế tạo lần Hertz năm 1887 Anten thời đầu phát triển thiết kế để tăng băng thơng hoạt động, giảm nhỏ kích thước, tăng tính định hướng Một xu hướng thiết kế gần nghiên cứu anten tái cấu hình, có khả thay đổi đặc tính Các anten có ưu điểm so với anten thường mặt kích thước hiệu hoạt động nên có tiềm to lớn cho ứng dụng vơ tuyến Bên cạnh đó, với thay đổi công nghệ ngày đòi hỏi thiết bị có khả linh hoạt kích thước ngày thu nhỏ Và thuật ngữ đặt vào năm 1999 Rodger M Walser Trường Đại học Texas Austin Ông xác định metamaterial vật liệu kết hợp nhân tạo, 1, ba chiều, cấu trúc chu kì thiết kế để tạo đặc tính vật lý khơng có sẵn tự nhiên Với mục đích tìm hiểu cơng nghệ anten tái cấu hình, cập nhật xu hướng phát triển giới chế tạo số mẫu anten tái cấu hình cho ứng dụng vô tuyến thiết kế anten có kích thước thu gọn so với trước tập trung thực đề tài: “Thiết kế anten MIMO tự cấu hình theo tần số” Mặc dù cố gắng thực đề tài tốt nhất, song không tránh khỏi hạn chế thiếu sót, tơi mong ủng hộ, góp ý thầy cô giáo bạn bè để hồn thiện kiến thức kỹ Trong thời gian thực luận văn, nhận giúp đỡ tần tình nhiều cá nhân, đồn thể Qua tơi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Phan Xuân Vũ, người trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, bảo cho ý kiến quý báu để thực luận văn Xin bày tỏ lời cảm ơn tới PGS.TS Vũ Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 Văn m tồn thể thầy giúp đỡ tơi hồn thành thực luận văn đưa nhiều góp ý quý báu Cuối xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, anh em, bạn bè người thân tôi, người ủng hộ, động viên, tạo điều kiện cho thực tốt luận văn Lời cam đoan, tơi – Trần Trí Dũng – cam kết Luận văn Tốt Nghiệp cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Phan Xuân Vũ, giảng viên môn Hệ Thống Viễn Thông, viện Điện Tử Viễn Thông trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các kết nêu Luận Văn Tốt Nghiệp trung thực, chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày 31 tháng 03 năm 2017 Trần Trí Dũng Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 MỤC LỤC MỞ ĐẦU BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ CHƢƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ANTEN TỰ CẤU HÌNH 11 1.1 Giới thiệu chung 11 1.1.1 Khái niệm 11 1.1.2 Ứng dụng anten tự cấu hình 11 1.1.3 Phân loại anten tự cấu hình 12 1.1.4 Các nguyên lý thiết kế 12 1.2 Một số mẫu anten tự cấu hình 13 1.2.1 Anten tự cấu hình sử dụng chuyển mạch (nhóm 1) 13 1.2.1 Anten tự cấu hình sử dụng tụ điện biến dung (nhóm 2) 18 1.2.3 Anten tự cấu hình sử dụng thay đổi góc vật lý (nhóm 3) 19 1.2.4 Anten sử dụng mạng tiếp điện có khả cấu hình lại (nhóm 4) 20 1.3 Những thiết kế 21 1.3.1 Anten tự cấu hình dựa tiếp điện quay 21 1.3.1.1 Cấu trúc thuộc tính anten 21 1.3.1.2 Thiết kế anten tự cấu hình 21 1.3.1.3 Điều khiển tiến trình quay 24 1.3.1 Anten tự cấu hình dạng hình 24 1.3.2.1 Cấu trúc anten 24 1.3.2.2 Sự cấu hình lại anten 25 1.4 Kết luận 27 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 CHƢƠNG II CÁC KỸ THUẬT TÁI CẤU HÌNH ANTEN 28 2.1 Tổng quan kỹ thuật tái cấu hình 28 2.2 Các kỹ thuật tái cấu hình anten theo đáp ứng tần số 30 2.2.1 Lý thuyết hoạt động 30 2.2.2 Một số kỹ thuật, chế tái cấu hình 31 2.3 Kết luận 41 CHƢƠNG LÝ THUYẾT SIÊU VẬT LIỆU 42 3.1 Khái niệm 42 3.2 Đặc điểm siêu vật liệu 43 3.3 Một số lý thuyết siêu vật liệu 44 3.3.1 Phƣơng trình Maxwell với siêu vật liệu 45 3.3.2 Điều kiện Entropy môi trƣờng phân tán 51 3.3.3 Điều kiện biên 56 3.3.4 Đảo ngƣợc hiệu ứng Doppler 58 3.3.5 Đảo ngƣợc định luật Snell - số khúc xạ âm 59 3.4 Kết luận 63 CHƢƠNG THIẾT KẾ-MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 64 4.1 Tìm hiều mô phần tử CSRR 64 4.2 Sử dụng CSRR thiết kế anten 66 4.2.1 Filter sử dụng phần tử CSRR 67 4.2.2 Anten sử dụng phần tử CSRR 69 4.3 Phát triển anten tái cấu hình theo tần số sử dụng metamaterials 74 4.4 Kết luận 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH STT Tiếng Việt Tiếng Anh Anten tái cấu hình Reconfigurable antenna Đồ thị xạ Radiation pattern Bộ chuyển mạch vô tuyến Radio Frequency switch (RF Switch) Độ tăng ích Gain Độ định hướng Directivity Vô tuyến nhận thức Cognitive radio Siêu vật liệu Metamaterials Vật liệu theo quy tắc bàn tay trái Left - Handed Materials Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Tiếng Việt Tiếng Anh MTM Metamaterials SRR Split-Ring Resonator CSRR Complimentary Split-Ring Resonator RHM Right-Handed Materials LHM Left-Handed Materials BC Boundary Condition NRI Negative Reflect Index Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng So sánh chuyển mạch sử dụng tái cấu hình anten 30 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Anten tự cấu hình gồm xạ đƣợc kết nối chuyển mạch RF MEMS cấu hình mở [1] 14 Hình Cấu hình anten hoạt động tần số khác [1] 14 Hình Anten Yagi tự cấu hình.[2] 15 Hình Anten nhiều phần với chuyển mạch đƣợc sử dụng để thay đổi chiều dài đoạn xoắn ốc.[2] 16 Hình Anten hai băng tần cho hệ thống vô tuyến nhận thức 17 Hình Anten hai băng tần sử dụng RF MEMS [2] 17 Hình Anten khe hình vành khăn sử dụng PIN diode [4] 17 Hình Anten PIFA sử dụng diode biến dung [3] 19 Hình Anten đƣợc uốn cong nhờ từ trƣờng [2] 19 Hình 10 Anten với vị trí tiếp điện thay đổi [2] 20 Hình 11 Anten với mạch tiếp điện cấu hình lại đƣợc [2] 20 Hình 12 Cấu trúc anten với khe [2] 21 Hình 13 Hệ số VSWR cho vị trí khác khe [2] 22 Hình 14 Mặt trƣớc sau mẫu anten [2] 23 Hình 15 Vị trí khe khối trụ [2] 23 Hình 16 So sánh kết mô kết đo đạc tổn hao ngƣợc [2] 24 Hình 17 Cấu trúc anten dạng hình [2] 24 Hình 18 Vị trí chuyển mạch [2] 25 Hình 19 Mặt phẳng E H với tất chuyển mạch hở 2.8GHz [2] 26 Hình 20 Mặt phẳng E H với tất chuyển mạch đóng 2.8GHz [2] 26 Hình 21 So sánh suy hao ngƣợc với cấu hình khác anten [2] 26 Hình Anten dipol chuyển mạch quang cung cấp tái cấu hình tần sơ (Theo Panagamuwa [9], IEEE 2006) 32 Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 Hình 11 Gain tần số 2.4GHz Hình 12 Gain tần số 3.35GHz Trang 71 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 Hình 13 Gain tần số 4.7GHz Hình 14 Giản đồ xạ trƣờng xa mặt phẳng XOZ Trang 72 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 Hình 15 Giản đồ xạ trƣờng xa mặt phẳng XOY Hình 16 Giản đồ xạ trƣờng xa mặt phẳng YOZ Trang 73 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2017 Nhận xét: Qua hình 4.10 ta thấy anten có tần số xạ trung tâm 2.4GHz, 3.35GHz, 4.35GHz 4.7GHz Tại tần số cộng hưởng 2.4GHz có hệ số tăng ích 2.0347dB, hệ số hướng tính 5.9652dBi, dải tần có tổn hao ngược S11