Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu phát triển anten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử

27 100 0
Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu phát triển anten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Mục đích của luận án nhằm đề xuất một số cấu trúc anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số nhằm cải thiện các tham số như: kích thước, tính đơn giản của cấu trúc anten và mạch phân cực cho diode, hệ số tăng ích, tương hỗ giữa các phần tử trong anten MIMO; Nghiên cứu, đề xuất giải pháp đơn giản để tái cấu hình cho anten PIFA.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Thị Phương Thảo NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ Ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Hà Nội - 2018 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Văn Yêm Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Bình Phản biện 2: PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Huy Hoàng Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Giới thiệu anten tái cấu hình Với đặc điểm môi trường kênh vô tuyến luôn thay đổi, hệ thống thông tin vô tuyến hướng đến thiết bị thu phát có khả thay đổi tham số nhằm thích nghi với mơi trường kênh Hơn nữa, vấn đề hạn chế phổ tần vô tuyến thách thức điều kiện thiết bị ứng dụng không dây phát triển cách nhanh chóng Bên cạnh đó, thu phát cần hoạt động nhiều chuẩn tần số để đáp ứng ứng dụng khác Khái niệm anten tái cấu hình với khả tự thay đổi tần số xạ, đồ thị xạ, phân cực kết hợp tham số đời nhằm đáp ứng yêu cầu Ngoài ra, vấn đề tăng dung lượng kênh tốc độ liệu đòi hỏi hệ thống thông tin vô tuyến Hiện nay, hệ thống đa anten hay gọi anten MIMO ứng dụng phổ biến hệ thống thông tin vô tuyến Để kết hợp ưu điểm anten MIMO anten tái cấu hình, anten MIMO tái cấu hình giải pháp tiềm việc tăng cường tính thông minh linh hoạt, đa giảm giá thành, kích thước thiết bị hệ thống vơ tuyến kết hợp với tăng dung lượng kênh tốc độ liệu đường truyền Những vấn đề tồn - Cấu trúc anten cịn phức tạp, kích thước anten cần tiếp tục giảm nhỏ - Giảm số lượng phần tử thụ động cho anten tái cấu hình để giảm ảnh hưởng lên anten, đồng thời giảm chi phí - Việc thiết kề nhiều cấu trúc anten thách thức Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu, đề xuất số cấu trúc anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số nhằm cải thiện tham số như: kích thước, tính đơn giản cấu trúc anten mạch phân cực cho diode, hệ số tăng ích, tương hỗ phần tử anten MIMO; Nghiên cứu, đề xuất giải pháp đơn giản để tái cấu hình cho anten PIFA Đối tượng nghiên cứu: Anten tái cấu hình theo tần số; Anten tái cấu hình theo tần số hoạt động đơn băng; Anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số cho thiết bị đầu cuối hệ thống thông tin vô tuyến hệ mới; Dải tần 10 GHz Ý nghĩa khoa học đề tài Về lý luận: Góp phần phát triển kiến trúc anten tái cấu hình mới, nhằm tạo anten tái cấu hình có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn đáp ứng nhiều u cầu khác ứng dụng vô tuyến hệ mới; Đưa cơng bố có giá trị khoa học Về mặt thực tiễn: - Ứng dụng kiến trúc anten đề xuất cho hệ thống thông tin vơ tuyến hệ Những đóng góp luận án Những đóng góp khoa học luận án gồm: Đề xuất cấu trúc anten đơn tái cấu hình theo tần số có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, gồm: Cấu trúc anten đơn đơn cực tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng sử dụng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử xạ Cấu trúc anten đơn đơn cực tái cấu hình theo tần số áp dụng cấu trúc dây chêm hở mạch cho phần dẫn sóng anten để điều khiển phối hợp trở kháng Đề xuất kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA cách dịch shorting pin với ưu điểm đơn giản, áp dụng cho tất cấu trúc anten PIFA, dễ dàng tăng cấu hình tần số lên số lượng định mà không làm tăng kích thước anten; đồng thời cấu trúc anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số áp dụng kỹ thuật đề xuất với cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, kích thước phần tử xạ nhỏ gọn Đề xuất cấu trúc anten MIMO tái cấu hình cách thay đổi cấu trúc anten Anten MIMO tái cấu hình đề xuất có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đồng phẳng, đơn giản giảm tương hỗ phần tử Cấu trúc đề xuất không cần sử dụng tụ điện cho mạch phân cực diode giúp anten giảm suy hao Cấu trúc nội dung luận án Luận án gồm có chương Chương tổng quan anten tái cấu hình Trong chương 2, thiết kế anten tái cấu hình tần số áp dụng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử xạ đề xuất Tiếp theo, chương đề xuất kỹ thuật hai cấu trúc anten dựa theo kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng anten Một thiết kế anten tái cấu hình theo tần số kỹ thuật thay đổi cấu trúc anten trình bày chương Phần cuối luận án kết luận hướng phát triển đề tài TỔNG QUAN VỀ ANTEN TÁI CẤU HÌNH 1.1 Giới thiệu chung Anten truyền thống có thuộc tính đồ thị xạ, băng tần hoạt động hay phân cực thiết kế cố định Đối với anten tái cấu hình, thuộc tính anten có khả thay đổi Anten tái cấu hình định nghĩa anten có khả thay đổi đặc tính tần số, đồ thị xạ, phân cực kết hợp tham số 1.2 Ưu nhược điểm anten tái cấu hình 1.2.1 Ưu điểm Anten tái cấu hình có số ưu điểm như: giúp giảm kích thước cho thiết bị, cách ly tốt chuẩn không dây, loại bỏ nhiễu băng tần không dùng, giảm nhiều chuẩn không dây Ngồi ra, anten tái cấu hình có độ linh hoạt cao giúp tiết kiệm phổ tần, tiết kiệm công suất giảm nhiễu 1.2.2 Nhược điểm Việc thiết kế cấu trúc anten tái cấu hình phức tạp Ngoài ra, số lượng phần tử điện tử tích hợp vào anten nhiều làm cấu trúc anten trở nên phức tạp tăng suy hao Việc tích hợp anten tái cấu hình vào hệ thống vơ tuyến thách thức 1.3 Các tham số quan trọng anten liên quan đến hoạt động tái cấu hình 1.3.1 Đáp ứng tần số Đáp ứng tần số anten định nghĩa trở kháng đầu vào anten theo tần số 1.3.2 Đặc tính xạ Đặc tính xạ thể thơng qua đồ thị xạ, phân cực anten chính, độ định hướng hệ số tăng ích 1.4 Phân loại anten tái cấu hình Dựa vào thay đổi đổi tham số anten, anten tái cấu hình phân loại sau: - Anten tái cấu hình theo tần số; - Anten tái cấu hình theo đồ thị Hình 1.1 Cấu trúc anten xạ; - Anten tái cấu hình theo phân cực; - Anten tái cấu hình kết hợp loại 1.4.1 Anten tái cấu hình theo tần số Anten tái cấu hình theo tần số hiểu tần số cộng hưởng (hay băng tần làm việc) anten 1.4.2 Anten tái cấu hình theo đồ thị xạ Hình 1.2 Kết mơ tham Anten tái cấu hình theo đồ thị xạ số |S11| ba cấu hình có nghĩa giản đồ phương hướng anten điều chỉnh theo mong muốn Luận án đề xuất anten tái cấu hình sử dụng diode PIN hoạt động tần số 5,8 GHz ứng dụng để thu phí tự động hệ thống giao thông thông minh Cấu trúc anten đề xuất cho Hình 1.1 Anten hoạt động ba cấu hình có đồ thị xạ khác chung tần số cộng hưởng Hình 1.2 Kết mơ đồ thị xạ anten ba cấu hình khác biểu diễn Hình 1.3 Cấu hình Cấu hình Cấu hình Hình 1.3 Đồ thị xạ 3D ba cấu hình 1.4.3 Anten tái cấu hình theo phân cực Anten tái cấu hình theo phân cực cho phép thay đổi phân cực anten, bao gồm phân cực ngang/đứng, phân cực vòng trái hay phải 1.5 Anten MIMO tái cấu hình Anten MIMO tái cấu hình theo tần số coi giải pháp tiềm cho hệ thống thông tin vô tuyến tương lai 1.6 Ứng dụng anten tái cấu hình Anten tái cấu hình ứng dụng rộng rãi nhiều hệ thống như: vô tuyến nhận thức, thông tin vệ tinh hệ mới, hệ thống MIMO, hệ thống thông tin di động, hệ thống WLAN, hệ thống giao thông thông minh… 1.7 Các phương pháp tái cấu hình anten 1.7.1 Giới thiệu Dựa vào phương pháp thay đổi cấu trúc anten, anten tái cấu hình phân loại Hình 1.4 Anten tái cấu hình RF-MEMS PIN-Diode Diode quang Biến đổi cấu trúc Sắt, tinh thể lỏng Diode biến dung, FET Điện Quang Vật lý Thay đổi vật liệu Hình 1.4 Các kỹ thuật tái cấu hình anten 1.7.2 Tái cấu hình anten sử dụng phần tử chuyển mạch điện Tái cấu hình anten dựa vào chuyển mạch điện bao gồm PIN diode, FRMEMS, diode biến dung Trong đó, PIN diode sử dụng phổ biến tốc độ chuyển mạch cao, giá thành rẻ, độ cách ly tương đối tốt 1.7.3 Tái cấu hình anten sử dụng phần tử chuyển mạch quang Chuyển mạch quang giải pháp cho anten tái cấu hình Tuy nhiên, chuyển mạch quang yêu cầu hệ thống kích hoạt phức tạp chi phí đắt nên không sử dụng phổ biến 1.7.4 Tái cấu hình anten thay đổi cấu trúc vật lý Anten tái cấu hình thực cách thay đổi cấu trúc vật lý thành phần xạ để thay đổi đặc tính xạ Tuy nhiên, phương pháp không sử dụng rộng rãi nhược điểm đáp ứng chậm, giá thành cao, kích thước độ phức tạp anten tăng phải sử dụng cấu tái cấu hình vào anten 1.7.5 Tái cấu hình anten thay đổi vật liệu Anten tái cấu hình sử dụng vật liệu có khả thay đổi đặc tính tác động bên ngồi Các anten tái cấu hình cách thay đổi vật liệu thường bị giảm hiệu suất xạ 1.7.6 Đánh giá phương pháp tái cấu hình anten Mỗi kỹ thuật áp dụng cho anten tái cấu hình có ưu nhược điểm riêng Tuy nhiên, anten tái cấu hình sử dụng chuyển mạch điện phổ biến có nhiều ưu điểm kết hợp Trong đó, PIN diode có ưu điểm nguồn cấp điện bé, suy hao thấp, độ cách ly tốt, giá thành rẻ tốc độ chuyển mạch nhanh tất chuyển mạch điện 1.8 Các kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số 1.8.1 Tái cấu hình anten dùng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử xạ Tái cấu hình anten theo kỹ thuật thay đổi phần tử xạ kỹ thuật phân bố lại dòng bề mặt anten cách thay đổi hình dạng hay độ dài phần tử xạ anten cấu trúc tiếp điện giữ nguyên Một cấu trúc anten tái cấu hình theo tần số áp dụng kỹ thuật đề xuất chương luận án 1.8.2 Tái cấu hình anten dùng kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng Tái cấu hình anten theo kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng thay đổi hình dạng phần tử tiếp điện cho anten hay thay đổi trở kháng anten giữ nguyên cấu trúc xạ 1.8.3 Tái cấu hình anten theo phương pháp thay đổi cấu trúc anten Ngồi hai kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số đề cập trên, phương pháp khác để tái cấu hình anten thay đổi cấu trúc anten Kỹ thuật áp dụng anten tái cấu hình theo tần số đề xuất chương luận án 1.9 Kết luận chương Chương trình bày tổng quan anten tái cấu hình, phương pháp tái cấu hình anten, kỹ thuật để tái cấu hình anten theo tần số bao gồm kỹ thuật tái cấu hình anten cách điều chỉnh độ dài phần tử xạ, thay đổi mạng phối hợp trở kháng thay đổi cấu trúc anten Các kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số sở để phân tích, thiết kế anten tái cấu hình trình bày chương luận án ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG KỸ THUẬT THAY ĐỔI CHIỀU DÀI PHẦN TỬ BỨC XẠ 2.1 Giới thiệu chương Chương trình bày thiết kế anten monopole tái cấu hình theo tần số cấp điện kiểu đồng phẳng với ba cấu hình khác nhau, tạo ba băng tần khác với tần số cộng hưởng 2,1GHz, 2,6 GHz 3,3 GHz Ưu điểm anten kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản dễ chế tạo 2.2 Các bước thiết kế anten monople tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng Đầu tiên, anten đơn cấp điện kiểu đồng phẳng thiết kế cộng hưởng tần số 2,1 GHz Tiếp theo, cách thay đổi trạng thái diode nhờ vào nguồn cấp điện chiều, anten tính toán để cộng hưởng tần số 2,6 GHz 3,3 GHz 2.3 Thiết kế anten monople tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng 2.3.1 Cấu trúc anten Cấu trúc anten monopole tái cấu hình theo tần số có cấu trúc đối xứng Hình 2.1 2.3.2 Tính tốn kích thước anten Hình 2.1 Cấu trúc anten Đầu tiên, phần cấp điện CPW cho anten thiết kế Tiếp theo, kích thước anten chiều dài phần tử xạ tính theo cơng thức lý thuyết, sau tối ưu phần mềm CST Kích thước tổng anten sau tối ưu 24 × 34 × 1,6 𝑚𝑚3 với kích thước chi tiết Bảng 2.1 Bảng 2.1 Kích thước chi tiết anten monopole tái cấu hình theo tần số Tham số W L wf ws a m Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm) 24 g 0,3 34 L1 L2 L3 7,5 L4 16 Lg 16 2.4 Nguyên lý hoạt động anten đơn cực cấp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần số Để tái cấu hình anten, chiều dài xạ thay đổi cách thay đổi trạng thái chuyển mạch diode Chiều dài xạ thay đổi để đạt ba cấu hình anten khác nhau, gọi S1, S2 S3 2.4.2 Phân bố dòng bề mặt Hình 2.2 biểu diễn phân bố dịng bề mặt anten ba cấu hình (a) Cấu hình S1 (b) Cấu hình S2 (c) Câu hình S3 Hình 2.2 Phân bố dịng bề mặt xạ cấu hình khác 2.5 Kết mơ thực nghiệm Hình ảnh mẫu anten đề xuất chế tạo Hình 2.3 Hình 2.4 (a) - (c) kết mô đo đạc mô-đun hệ số suy hao phản hồi ba trạng thái anten tái cấu hình Kết mơ đo đạc cho thấy, anten hoạt động ba cấu hình tần số khác với tần số cộng hưởng trung tâm 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,3 GHz Hình 2.3 Mẫu anten chế tạo (a) Cấu hình S1 (b) Cấu hình S2 (c) Cấu hình S3 Hình 2.4 Kết đo mơ độ lớn hệ số phản xạ ba cấu hình Hình 2.5 (a) - (c) biểu diễn đồ thị xạ 2D anten đề xuất cấu hình khác (a) Cấu hình S1: 2,1 GHz (b) Cấu hình S2: 2,6 GHz (c) Cấu hình S3: 2,1 GHz (d) Cấu hình S3: 2,1 GHz Hình 2.5 Đồ thị xạ 2D mặt phẳng XZ YZ ba cấu hình khác 2.6 Kết luận chương Chương trình bày trình thiết kế kết mô phỏng, đo đạc thực nghiệm anten đơn cấp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần số ứng dụng cho UMTS, LTE WiMAX Anten tái cấu hình để hoạt động ba cấu hình khác với tần số cộng hưởng trung tâm 2,1 GHz, 2,6 GHz 3,3 GHz Anten đề xuất có cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn với kích thước tổng 24 × 34 mm2 Với cấu trúc này, tần số cộng hưởng anten điều chỉnh để hoạt động tần số mong muốn khác ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG KỸ THUẬT THAY ĐỔI MẠNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG 3.1 Giới thiệu chương Chương đề xuất kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cách thay đổi vị trí “Shorting Pin” (SP) anten PIFA dẫn đến thay đổi phối hợp trở kháng cho anten Đồng thời, anten MIMO PIFA tái cấu hình theo tần số áp dụng kỹ thuật tái cấu hình trình bày Ngồi ra, thiết kế anten tái cấu hình theo tần số thứ hai trình bày chương dựa anten đơn cực Việc tái cấu hình anten thực cách áp dụng kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng cho anten kết hợp với hợp với sử dụng thay đổi chiều dài phần tử xạ 3.2 Anten PIFA tái cấu hình theo tần số kỹ thuật dịch SP 3.2.1 Kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA Hình 3.1 Cấu trúc anen PIFA truyền thống Hình 3.2 Mơ hình mạch tương đương anten PIFA Kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA kỹ thuật SP đề xuất dựa nguyên lý khoảng cách SP cổng cấp điện thay đổi làm thay SP2 SP1 :Capacitor = x1 :Diode SP4 Mặt phẳng đất D4 y3 y2 = y1 y4 x2 = x = x4 SP3 D3 SP2 SP1 D2 Tụ điện D1 (a) (b) Hình 3.7 Anten PIFA tái cấu hình theo tần số: (a) Mặt trên, (b) Mặt :Diode Hình 3.8 mẫu anten chế tạo với kích thước phần tử xạ bé, 15,5 × 21 mm2 Kết mô đo đạc mô-đun hệ số suy hao phản hồi anten tái cấu hình Hình 3.9 Có thể thấy rằng, kết mô đo đạc tương đồng Tuy nhiên, cấu hình S3, tần số cộng hưởng trung tâm đo đạc lệch so với mơ Ngun nhân sai lệch dây cấp nguồn chiều hàn nối thủ công để điều chỉnh trạng thái chuyển mạch cho diode Khi ứng dụng anten tái cấu hình vào thiết bị thu phát, phần tử gồm diode, tụ điện, dây cấp nguồn chiêu anten phải tích hợp vào mạch để giảm sai số Ground D4 D3 D2 D1 Hình 3.8 Mẫu anten PIFA đơn tái cấu hình Hình 3.9 Kết mơ đo mô-đun hệ số suy hao phản hồi anten PIFA tái cấu hình theo tần số cấu hình Đồ thị, xạ mặt phẳng XZ YZ anten với bốn cấu hình khác thể Hình 3.10 (a) – (d) 11 (a) (c) (b) (d) Hình 3.10 Đồ thị xạ 2D (XZ YZ) bốn cấu hình tương ứng với bốn tần số: (a) 0,85 GHz, (b)1,57 GHz, (c)1,9 GHz, (d) 2,1 GHz 3.2.5.2 Anten MIMO tái cấu hình theo tần số Mục trình bày thiết kế anten MIMO PIFA tái cấu hình theo tần số Anten MIMO gồm hai phần tử anten đơn tái cấu đề xuất mục 3.2.5.1 Anten MIMO đặt cách với khoảng cách hai cổng tiếp điện nửa bước sóng tần số 2,1GHz (70 mm) 0,2 lần bước sóng tần số 0,9 GHz theo cách Hình 3.11 Ở tất cấu hình anten đạt độ cách ly tốt hai phần tử, với |S21| < -20 dB tất băng tần hoạt động Hình (a) - (d) biểu diễn kết mô đo mô tham số |S11| |S21| Bảng 3.3 tóm tắt thơng số anten MIMO tái cấu hình 12 Cổng cấp điện Đất Đất Cổng cấp điện d = λ/2 = 70 mm Hình 3.11 Anten PIFA MIMO (a)2 × tái cấu hình theo tần số (a) (c) (b) (d) Hình 3.12 Kết đo mô tham số S anten MIMO tái cấu hình trạng thái (a) S1, (b) S2, (c) S3, (d) S4 Bảng 3.2 Tóm tắt thơng số anten MIMO tái cấu hình Trạng thái hoạt động S1 S2 S3 S4 Tần số cộng hưởng (GHz) 0,85 1,575 1,9 2,1 Băng thông -10 dB (MHz) 125 516 642 534 Hệ số tăng ích cực đại (dBi) -0,9 2,61 3,02 3,56 Hiệu suất xạ 40 97 90 95 13 3.2.6 Thảo luận đánh giá Bằng cách thay đổi vị trí SP dẫn đến khoảng cách SP cổng tiếp điện thay đổi, tần số cộng hưởng anten PIFA điều chỉnh cách dễ dàng Kỹ thuật tái cấu hình anten cách thay đổi vị trí SP đề xuất luận án áp dụng cho tất loại anten có cấu trúc PIFA để tái cấu hình cho tần số mong muốn Ngồi tính đơn giản, kỹ thuật cho phép tăng cấu hình lên số lượng định mà giữ ngun kích thước anten khơng làm anten trở nên phức tạp Áp dụng kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA đề xuất, anten PIFA tái cấu hình theo tần số thiết kế để hoạt động bốn cấu hình khác Với anten PIFA tái cấu hình đề xuất, kích thước phần tử xạ nhỏ gọn tổng kích thước hồn tồn phù hợp với thiết bị máy tính xách tay, máy tính bảng 3.3 Anten đơn cực tái cấu hình theo tần số sử dụng kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng 3.3.1 Các bước thiết kế anten monopole tái cấu hình theo tần số Anten thiết kế, tính tốn bước Đầu tiên, anten thiết kế để hoạt động tần số 5,1 GHz, sau sử dụng dây chêm điều chỉnh mạng phối hợp kháng để anten cộng hưởng tần số mong muốn khác 3.3.2.1 Cấu trúc anten Hình 3.13 Cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình Cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất Hình với kích thước chi tiết thể Bảng 3.3 14 Bảng 3.3 Kích thước chi tiết anten tái cấu hình (mm) Ws 30 ws1 Ls 40 ls1 11,8 Lg 20 ws2 x1 4,5 ls2 16,7 x2 8,5 we2 d le2 18 w 3,2 3.3.2.2 Nguyên lý hoạt động Các cấu hình anten đạt cách thay đổi trạng thái PIN diode Anten hoạt động bốn cấu hình gọi S1, S2, S3, S4 trạng thái diode D1, D2, D3 thay đổi Bảng 3.4 Bảng 3.4 Các trạng thái PIN diode trạng thái Trạng thái D1 D2 D3 S S2 S3 S4 NGẮT BẬT NGẮT NGẮT NGẮT NGẮT BẬT BẬT NGẮT NGẮT NGẮT BẬT Tần số trung tâm (GHz) 5,1 5,6 2,4 3,3 3.3.2.3 Tính tốn kích thước anten Anten tính tốn theo lý thuyết, sau mơ tối ưu phần mềm CST Kết tính tốn mơ so sánh bảng Bảng 3.5 Bảng 3.5 So sánh giá trị kích thước tính tốn mơ anten Trạng thái S1 S3 S4 Tham số d w x1 ws1 ls1 we2 le2 ws2 ls2 x2 Giá trị tính tốn 8,1 3,1 tự chọn 12 Tự chọn 18 Tự chọn 16,2 8,6 Giá trị mô 3,2 4,5 11,8 18 16,7 8,5 3.3.3 Kết mơ thực nghiệm Hình so sánh kết đo kết mô hệ số phản xạ anten tái cấu hình đề xuất cấu hình 15 (a) Cấu hình S1 (b) Cấu hình S2 (c)Cấu hình S3 (d) Cấu hình S4 Hình 3.14 Kết đo mơ |S11| cấu hình Đồ thị xạ phương hướng anten đơn cực với bốn cấu hình khác tần số 5,1GHz, 5,8 GHz, 3,3 GHz 2,4 GHz biểu diễn hình Hình (a), (b) (a) (b) 16 (c) (d) Hình 3.15 Đồ thị xạ 2D (XZ, YZ) trạng thái: (a) S1, (b) S2, (c) S3, (d) S4 3.3.4 Thảo luận đánh giá Bảng 3.6 Tổng hợp tham số anten đơn cực tái cấu hình đề xuất Tần số cộng Băng Hệ số tăng ích Hiệu suất Cấu hình hưởng (GHz) thơng (%) (dB) xạ tổng 5,1 28 2,8 78 S1 5,8 25 2,2 70 S2 2,4 20 1,5 79 S3 3,3 13 1,4 69 S4 Áp dụng kỹ thuật điều chỉnh mạng phối hợp trở kháng, cụ thể thay đổi thành phần dẫn sóng anten kết hợp với thay đổi phần tử xạ, cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình theo tần số đề xuất Anten hoạt động bốn cấu hình khác với tần số cộng hưởng 5,1GHz, 5,8 GHz, 2,4 GHz 3,3 GHz tương ứng với băng thông đạt 28%, 25%, 20%, 13% Hệ số tăng ích cực đại anten bốn cấu hình khác 1,5 dBi, 1,4 dBi, 2,8 dBi 2,2 dBi tần số 2,4 GHz, 3,3 GHz, 5,1 GHz 5,6 GHz Anten có kích thước nhỏ gọn, 30 × 40 × 1,6mm3, cấu trúc đơn giản dễ chế tạo 3.4 Kết luận chương Chương đề xuất kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA cách thay đổi mạng phối hợp trở kháng cụ thể thay đổi vị trí SP anten PIFA đề xuất Áp dụng kỹ thuật đề xuất, cấu trúc anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số đề xuất Bằng cách thay đổi vị trí SP thơng qua chuyển mạch PIN diode, anten hoạt động bốn cấu hình khác với tần số khác Đồng thời, cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình theo tần số áp dụng kết hợp kỹ thuật điều chỉnh mạng phối hợp trở kháng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử xạ đề xuất cho ứng dụng WLAN/WiMax Anten hoạt động bốn cấu hình khác với tần số cộng hưởng trung tâm 5,1GHz, 5,8 GHz, 2,4 GHz 3,3 GHz Ưu điểm anten cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo với kích thước nhỏ gọn Kết mơ đo đạc cho thấy tiềm ứng dụng anten hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức tương lai 17 THIẾT KẾ ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ BẰNG KỸ THUẬT THAY ĐỔI CẤU TRÚC ANTEN 4.1 Giới thiệu chương Chương đề xuất thiết kế anten MIMO tái cấu hình theo tần số hoạt anten PIFA, anten vịng anten monopole Anten MIMO bao gồm hai anten đơn tái cấu hình, anten đơn sử dụng hai PIN diode mặt phẳng đất Ưu điểm anten nhỏ gọn với kích thước anten MIMO 51 × 53 × 0,8 𝑚𝑚3, cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo Đặc biệt, mạch phân cực cho diode PIN đơn giản, không sử dụng tụ giúp giảm suy hao cho anten (c) (a) (b) Hình 4.1 Cấu trúc anten đơn tái cấu hình theo tần số: (a) cấu trúc tổng quan (màu đậm biểu thị phần tử xạ mặt trước màu nhạt biểu thị đất nối mặt sau), (b) Mặt với diode PIN tích hợp, (c) Phần tử xạ mặt 4.2 Các bước thiết kế anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số ứng dụng cho UMTS, LTE Các bước thiết kế anten MIMO tái cấu hình cho ứng dụng UMTS/LTE bao gồm bước sau Đầu tiên, anten PIFA thiết kế hoạt động tần số 1,9 GHz Tiếp theo, vị trí diode kích thước phần tử xạ xác định đặt vào anten để anten chuyển sang cấu hình anten đơn cực hoạt động tần số 2,6 GHz Cấu hình cuối cùng, anten hoạt động với cấu trúc dạng vòng tần số 2,4 GHz Độ dài phần tử xạ tính tốn theo lý thuyết sau tối ưu phần mềm 18 4.3 Thiết kế anten MIMO tái cấu hình theo tần số 4.3.1 Thiết kế phần tử anten PIFA tái cấu hình theo tần số 4.3.1.1 Cấu trúc anten Cấu trúc anten đơn tái cấu hình theo tần số để xuất bao gồm phần tử xạ, đế điện môi mặt phẳng hình 4.1 4.3.1.2 Ngun lý hoạt động Anten hoạt động ba cấu hình gồm S1, S2, S3 tùy vào trạng thái diode D1 D2 Bảng 4.1 mơ tả cấu hình anten khác với trạng thái PIN diode Bảng 4.1 Trạng thái diode PIN cấu hình khác Tần số cộng hưởng Cấu trúc Diode Diode Cấu hình trung tâm anten D1 D2 (GHz) Cấu hình (S1) PIFA BẬT NGẮT 1,9 Cấu hình (S2) Anten đơn cực NGẮT NGẮT 2,6 Anten dạng Cấu hình (S3) NGẮT BẬT 2,3 vịng 4.3.1.3 Các bước tính tốn Đầu tiên, anten PIFA đơn hoạt động tần số cố định với 𝑓𝑃𝐼𝐹𝐴 = 1,9 GHz thiết kế Kích thước phần tử xạ sau tính tốn theo lý thuyết mơ tối ưu Wp x Lp = 25 x 13 mm2 Ở cấu hình S2, anten hoạt động cấu trúc anten đơn cực, kích thước phần tử xạ cấu trúc đơn cực chọn để anten cộng hưởng fmpole = 2,6 GHz: 3λ′mpole (4.1) ∗ WP + L3 + L4 + L5 + S + h = đó, λ′mpole bước sóng tần số cộng hưởng anten đơn cực tần số 2,6 GHz Ở cấu hình S3, anten hoạt động anten dạng vòng, tổng chiều dài điện phần tử xạ xấp xỉ nửa bước sóng tần số thiết kế floop = 2,3 GHz λ′loop (4.2) ∗ WP + L3 + L4 + L5 + S + L6 + h = 4.3.2 Thiết kế anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số Anten MIMO tái cấu hình theo tần số có cấu trúc đối xứng gồm hai anten đơn tái cấu hình đề xuất đặt cạnh với khoảng cách cạnh – cạnh d = 1mm Hình 4.2 Kích thước tổng anten MIMO tái cấu hình bao gồm mặt phẳng đất 51 × 53 × 0,8 mm3 Hình 4.3 mẫu anten MIMO tái cấu hình chế tạo đế điện mơi FR4 19 Hình 4.3 Mẫu anten PIFA tái cấu hình Hình 4.2 Cấu trúc anten MIMO tái cấu hình đề xuất 4.4 Kết thảo luận 4.4.1 Khảo sát ảnh hưởng khe đến độ cách ly phần tử Hình 4.4 biểu diễn tham số S anten MIMO trạng thái S1 trường hợp khơng có khe xẻ rãnh mặt phẳng đất anten MIMO với khoảng cách d hai phần tử anten thay đổi từ mm đến 15 mm Hình 4.4 Tham số tán xạ S anten MIMO tái cấu hình cấu hình S1 Hình 4.5 Tham số S anten MIMO khoảng cách hai phần tử anten thay trường hợp khơng có khe đổi từ 1mm đến 15mm Để giảm tương hỗ hai phần tử anten MIMO tái cấu hình đề xuất đặt gần nhau, khe xẻ rãnh thêm vào mặt phẳng đất Hình 4.5 biểu diễn kết mô tham số S khoảng cách d = 1mm so sánh trường hợp khe cấu hình S1 20 4.4.2 Kết mô thực nghiệm tham số anten MIMO tái cấu hình Kết mơ đo đạc tham số |S11| anten MIMO tái cấu hình ba trạng thái S1, S2, S3 thể Hình 4.6 (a), 4.7 (a) 4.8 (a) Kết mô thực nghiệm tham số S ba cấu hình tương đồng Hình 4.6 (b), 4.7 (b) 4.8 (b) biểu diễn đồ thị xạ 2D anten MIMO với cổng kích hoạt ba cấu hình tần số cộng hưởng 1,9 GHz, 2,3 GHz 2,6 GHz mặt phẳng XY XZ Hệ số tăng ích cực đại anten MIMO 1,55 dBi, 1,81 dBi, 0,87 dBi tương ứng với cấu hình S1, S2, S3 tần số cộng hưởng trung tâm (a) (b) Hình 4.6 Cấu hình S1 anten MIMO tái cấu hình: (a) Kết mơ thực nghiệm tham số S , (b) Đồ thị xạ 2D mặt phẳng YZ XZ (a) (b) Hình 4.7 Cấu hình S2 anten MIMO tái cấu hình: (a) Kết mô thực nghiệm tham số S , (b) Đồ thị xạ 2D mặt phẳng XY XZ 21 (a) (b) Hình 4.7 Cấu hình S3 anten MIMO tái cấu hình: (a) Kết mô thực nghiệm tham số S , (b) Đồ thị xạ 2D mặt phẳng XY XZ Bảng 4.2 Tóm tắt kết mơ anten MIMO tái cấu hình Hệ số Tần số cộng Hiệu Băng thơng -10 tăng ích Cấu hình hưởng trung suất Ứng dụng dB, MHz cực đại, tâm, GHz xạ, % dBi 300 Cấu hình S1 1,9 (từ 1830 đến 1,55 87 UMTS 2140) 166 Cấu hình S2 2,3 (từ 2024 đến 1,81 78 LTE 2,3 GHz 2400) 140 Cấu hình S3 2,6 (từ 2500 đến 0,87 69 LTE 2,6 GHz 2640) Bảng 4.2 tóm tắt kết mô anten ba trạng thái anten MIMO tái cấu hình bao gồm tần số cộng hưởng trung tâm, băng tần hoạt động, hiệu suất xạ, hệ số tăng ích cực đại ứng dụng anten 4.5 Kết luận chương Chương đề xuất anten MIMO 2x1 tái cấu hình theo tần số sử dụng hai diode PIN cho phần tử để đạt cấu hình hoạt động khác Mỗi cấu hình cấu trúc anten gồm anten PIFA, anten đơn cực anten dạng vịng Anten có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn, 51 × 53 × 0,8 mm3 bao gồm mặt phẳng đất mạch phân cực cấp nguồn cho diode đơn giản, không sử dụng tụ giúp giảm tổn hao cho anten Hệ số tương hỗ anten giảm nhỏ nhờ cấu trúc xẻ rãnh mặt phẳng đất, với tham số |S21| < -20 dB ba cấu hình 22 KẾT LUẬN CHUNG Luận án trình bày tổng quan anten tái cấu hình chương gồm đặc điểm anten tái cấu hình, kỹ thuật tái cấu hình anten, từ làm sở lý thuyết để đề xuất kỹ thuật cấu trúc anten tái cấu hình trình bày luận án Luận án đề xuất kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA cách thay đổi mạng phối hợp trở kháng, cụ thể thay đổi vị trí SP anten Kỹ thuật áp dụng cho tất cấu trúc anten PIFA điều chỉnh tần số mong muốn cách dễ dàng, cho phép tăng số lượng cấu hình lên mà khơng làm tăng kích thước anten Áp dụng kỹ thuật tái cấu hình anten cách dịch SP, cấu trúc anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số đề xuất với kích thước phần tử xạ nhỏ gọn Bằng cách chuyển mạch diode PIN kết nối với SP, anten PIFA MIMO hoạt động bốn cấu hình với tần số trung tâm 0,85 GHz, 1,575 GHz, 1,9 GHz 2,1 GHz Kết mô kiểm chứng kết đo đạc với giá trị mô đo đạc tương đồng với Một cấu trúc anten tái cấu hình khác sử dụng phương pháp thay đổi mạng phối hợp trở kháng kết hợp với thay đổi phần tử xạ đề xuất luận án Anten đề xuất có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn mà đảm bảo hệ số tăng ích đạt u cầu Tần số cộng hưởng tính tốn điều chỉnh thơng qua kích thước độ dài chêm xạ nối vào anten, việc điều chỉnh tần số cộng hưởng theo mong muốn hồn tồn thực Luận án đề xuất cấu trúc anten đơn cực cấp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần số khác Bằng cách thay đổi trạng thái chuyển mạch diode PIN tích hợp phần tử xạ con, chiều dài phần tử xạ tính tốn thay đổi để điều chỉnh tần số cộng hưởng anten theo mong muốn Anten hoạt động ba cấu hình với tần số cộng hưởng trung tầm 2,1 GHz, 2,6 GHz 3,3 GHz Anten có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn (24×34 mm2 ) với hệ số tăng ích cực đại đạt 1,2 dBi, 1,9 dBi, 2,0 dBi tần số cộng hưởng Với tham số này, anten ứng dụng cho thiết bị cầm tay hệ thống thông tin vơ tuyến hệ Ngồi ra, cấu trúc anten MIMO tái cấu hình theo tần số khác đề xuất cách thay đổi cấu trúc anten Với ba cấu hình ba cấu trúc anten khác nhau, bao gồm anten PIFA, anten đơn cực anten dạng vòng, tần số cộng hưởng thay đổi 1,9 GHz, 2,3 GHz 2,6 GHz Anten sử dụng diode PIN cho phần tử để tái cấu hình với mạch phân cực cho diode đơn giản, không sử dụng tụ điện nhằm giảm suy hao cho anten Anten MIMO tái cấu hình theo tần số có độ cách ly cao, đạt |S21| < -20 dB ba cấu hình hoạt động khoảng cách cạnh – cạnh phần tử gần nhau, mm Với băng tần hoạt động ứng dụng UMTS, LTE, tương hỗ thấp kích thước tổng anten MIMO tái cấu hình nhỏ, 51 × 53 × 0,8 mm3, anten hồn tồn phù hợp cho thiết bị cầm tay, đặc biệt điện thoại 23 Như vậy, luận án đề xuất kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số số cấu trúc anten tái cấu hình bao gồm cấu trúc anten tái cấu hình theo tần số cách thay đổi mạng phối hợp trở kháng, thay đổi chiều dài phần tử xạ thay đổi cấu trúc anten Các đề xuất góp phần làm phong phú kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA, đồng thời tạo anten đơn, anten MIMO tái cấu hình đơn giản, nhỏ gọn cho ứng dụng mong muốn Hướng phát triển luận án Các hướng phát triển luận án bao gồm: - Áp dụng nguyên lý siêu vật liệu để giảm nhỏ kích thước cho anten đơn tái cấu hình giảm tương hỗ cho anten MIMO tái cấu hình; - Nghiên cứu đề xuất cấu trúc anten tái cấu hình kết hợp theo tần số, đồ thị xạ, phân cực 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Hoang Thi Phuong Thao, Vu Thanh Luan, Nguyen Canh Minh, Bernard Journet, Vu Van Yem (2017) A company frequency reconfigurable MIMO antenna with low mutual coupling for UMTS and LTE applications Advanced Technologies for Communications (ATC) 2017 International Conference on, pp 174-179, ISSN 2162-1039, DOI: 10.1109/ATC.2017.8167612 Hoàng Thị Phương Thảo, Vũ Văn Yêm (2017) A design of frequency reconfigurable CPW-fed antenna using PIN diode for wireless applications Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 12 (109), pp 34–38, ISSN 1859-1531 Hoàng Thị Phương Thảo, Vũ Văn Yêm (2017) Design of a novel radiation pattern reconfigurable antenna for electronic toll collection in intelligent transport system Tạp Chí khoa học Công nghệ, ĐH Điện lực, số 12, 6/2017, pp 59-66, ISSN 1859 - 4557 Hoang Thi Phuong Thao, Vu Thanh Luan, Vu Van Yem (2016) Design of compact frequency reconfigurable planar invert-F antenna for green wireless communications IET Communications, pp.25672574, ISSN 1751-8636, DOI: 10.1049/ iet-com.2016 0267 (SCI) Hoang Thi Phuong Thao, Trinh Van Son, Nguyen Van Doai, Nguyen Trong Duc, Vu Van Yem (2015) A Novel Frequency Reconfigurable Monopole Antenna Using PIN diode for WLAN/WiMax Applications International Conference on Computing, Management & Telecommunications, pp.2567-2574, DOI: 10.1109/ComManTel.2015.7394281 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN Hồng Thị Phương Thảo, Dương Thị Thanh Tú, Vũ Thành Luân, Trương Ngọc Tân, Vũ Văn Yêm (2014), “Nghiên cứu cải thiện băng thơng ăngten PIFA tái cấu hình theo tần số”, Hội thảo Quốc gia Điện tử, truyền thông công nghệ thông tin ECIT - ... cấu hình theo tần số; Anten tái cấu hình theo tần số hoạt động đơn băng; Anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu anten đơn, anten. .. anten, anten tái cấu hình phân loại sau: - Anten tái cấu hình theo tần số; - Anten tái cấu hình theo đồ thị Hình 1.1 Cấu trúc anten xạ; - Anten tái cấu hình theo phân cực; - Anten tái cấu hình. .. Anten tái cấu hình theo tần số Anten tái cấu hình theo tần số hiểu tần số cộng hưởng (hay băng tần làm việc) anten 1.4.2 Anten tái cấu hình theo đồ thị xạ Hình 1.2 Kết mơ tham Anten tái cấu hình

Ngày đăng: 08/01/2020, 11:12

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan