Trong vài thập kỷ gần đây, hệ thống thông tin di động ngày càng phổ biến và trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống vì những ứng dụng mà nó đem lại. Kể từ khi hệ thống 1G được Nordic Mobile Telephone giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1981, cứ khoảng 10 năm lại xuất hiện một thế hệ điện thoại di động mới. Các hệ thống 2G đầu tiên bắt đầu tung ra vào năm 1991, các hệ thống 3G đầu tiên xuất hiện lần đầu vào năm 2001 và hệ thống 4G hoàn toàn tuân thủ các tiêu chuẩn của Viện Phát triển Quản trị và Công nghệ IMT IMT nâng cao đã được chuẩn hóa vào năm 2012. Sự phát triển các hệ thống tiêu chuẩn của các mạng 2G (GSM) và 3G (IMT2000 và UMTS) mất khoảng 10 năm kể từ khi các dự án nghiên cứu và phát triển chính thức bắt đầu, và quá trình phát triển hệ thống 4G đã được bắt đầu từ năm 2001 hoặc 2002. Các công nghệ làm tiền đề cho một thế hệ mới thường được giới thiệu trên thị trường từ một vài năm trước đó, ví dụ như hệ thống CDMAOneIS95 tại Mỹ vào năm 1995 được xem là tiền đề cho 3G, hệ thống Mobile WiMAX ở Hàn Quốc năm 2006 được xem là tiền đề cho 4G, và hệ thống thử nghiệm đầu tiên cho LTE là ở Scandinavia năm 2009. Từ tháng 4 năm 2008, MachinetoMachine Intelligence (M2Mi) Corp một tổ hợp trong NASA Research Park dưới sự lãnh đạo của Geoff Brown bắt đầu phát triển công nghệ thông tin liên lạc 5G. Chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về các thế hệ mạng thông tin di động.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĂNG-TEN PHÂN CỰC KÉP BĂNG RỘNG VỚI BA CHẾ ĐỘ CỘNG HƯỞNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ANTEN PHÂN CỰC KÉP BĂNG RỘNG VỚI BA CHẾ ĐỘ CỘNG HƯỞNG ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dùng cho giảng viên hướng dẫn) Giảng viên hướng dẫn: Họ tên sinh viên: MSSV: Tên đồ án: Nghiên cứu thiết kế ăng-ten phân cực kép băng rộng với ba chế độ cộng hưởng Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thực nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt 5 Có khả phân tích đánh giá kết (15) Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu phương pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt 5 mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Kỹ viết đồ án (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến; lề thống nhất, có dấu cách sau dấu chấm, dấu phảy v.v.), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) 10a Có báo khoa học đăng chấp nhận đăng/Đạt giải SVNCKH giải cấp Viện trở lên/Có giải thưởng khoa học (quốc tế nước) từ giải trở lên/Có đăng ký phát minh, sáng chế 10b Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị SVNCKH không đạt giải từ giải trở lên/Đạt giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chun ngành (VD: TI contest) 10c Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 Nhận xét khác (về thái độ tinh thần làm việc sinh viên) Ngày: … / … / 20… Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dùng cho cán phản biện) Giảng viên đánh giá: Họ tên sinh viên: MSSV: Tên đồ án: Nghiên cứu thiết kế ăng-ten phân cực kép băng rộng với ba chế độ cộng hưởng Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thực nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt Có khả phân tích đánh giá kết (15) Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu phương pháp thực 5 5 dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Kỹ viết đồ án (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến; lề thống nhất, có dấu cách sau dấu chấm, dấu phảy v.v.), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) 10a Có báo khoa học đăng chấp nhận đăng/Đạt giải SVNCKH giải cấp Viện trở lên/Có giải thưởng khoa học (quốc tế nước) từ giải trở lên/Có đăng ký phát minh, sáng chế 10b Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị SVNCKH không đạt giải từ giải trở lên/Đạt giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chun ngành (VD: TI contest) 10c Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng Điểm tổng quy đổi thang 10 Nhận xét khác cán phản biện /50 Ngày: … / … / 20… Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, hệ thống thông tin di động ngày phát triển mạnh mẽ dần trở thành phần thiếu sống Ngày nay, mạng di động không đơn sử dụng cho việc liên lạc mà ứng dụng giao thơng, y tế, giải trí,…Đặc biệt hệ thống mạng 5G đưa vào sử dụng rộng rãi đòi hỏi phải có hệ thống ăng-ten đảm bảo phục vụ tốt cho truyền tải thông tin Ăng-ten phân cực kép loại ăng-ten nghiên cứu nhỏ gọn, dễ dàng chế tạo, khả hoạt động dải tần số rộng có nhiều ứng dụng thông tin di động Với mục tiêu thiết kế ăng-ten cho trạm thu phát sóng di động, em chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế ăng-ten phân cực kép băng rộng với ba chế độ cộng hưởng” Trong trình thực đề tài này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Tạ Sơn Xuất, viện Điện tử-Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn tận tình dẫn bước, cung cấp tài liệu hướng nghiên cứu giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Trong trình nghiên cứu thực đề tài, dựa vào kết đạt bước đầu, dù cố gắng nhiên tránh khỏi hạn chế thiếu xót Vì vậy, em mong nhận góp ý, bổ sung thầy, cô để đề tài em tối ưu hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi , mã số sinh viên , sinh viên lớp .viện Điện Tử Viễn Thông trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn Tơi xin cam đoan tồn nội dung trình bày đồ án “Nghiên cứu thiết kế ăng-ten phân cực kép băng rộng với ba chế độ cộng hưởng” kết trình tìm hiểu nghiên cứu Các liệu nêu đồ án hoàn toàn trung thực, phản ánh kết thực tế Mọi thơng tin trích dẫn tn thủ quy định sở hữu trí tuệ, tài liệu tham khảo liệt kê rõ ràng Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung viết đồ án Hà Nội, ngày 02 tháng năm 2020 Người cam đoan liệu MDF có chiều cao (H=35 mm) độ xạ (51 × 51 mm 2) Như Hình 3.13, tỉ số sóng đứng điện áp VSWR ăng-ten DL tốt toàn dải tần từ 1.6-3.8 GHz Hình 3.29: Ăng-ten loại II với vòng lặp bổ sung bên vòng lặp Hình 3.30: Ảnh hưởng L1 tới VSWR 68 Có thể thấy băng thơng ăng-ten SL nhỏ ăng-ten có hai chế độ cộng hưởng Ăng-ten loại hai đạt thêm chế độ cộng hưởng thứ ba có thêm vòng lặp bổ sung bên trong, có băng thơng hẹp ăng-ten SL, ăng-ten loại có băng thông chế độ thứ ba không tốt từ 3.2-3.7 GHz VSWR>1.5 So với loại I băng thông loại III ăng-ten DL gần gấp đôi có thêm chế độ cộng hưởng thứ ba với loại II Sự kết hợp ba chế độ cộng hưởng tốt vòng lặp bổ sung khơng nằm hẳn bên mà lồng chép với vòng lặp ngồi Do băng thơng ăng-ten DL mở rộng đáng kể để phục vụ tốt cho dải tần từ 1.7-3.7 GHz Ngoài việc nghiên cứu ta cần khảo sát việc mô ăng-ten thay đổi thành phần L1, L2, G1, G2 để có thiết kế tốt hiểu ảnh hưởng thành phần ăng-ten Sau kết mô so sánh thay đổi thành phần Khi L1 giảm, tần số cộng hưởng chế độ thứ ba ăng-ten 3.7 GHz vượt dải tần khảo sát 5G từ 3.4-3.6 GHz Khi L1 tăng, VSWR chế độ thứ tăng tần số cộng hưởng chế độ thứ ba 3.5 GHz, đồng thời VSWR sau tần số cộng hưởng tăng lên làm giảm dải tần hoạt động ăng-ten Như Hình 3.19, ta thấy L1=51 mm ăng-ten hoạt động ổn định 69 Hình 3.31: Ảnh hưởng L2 tới VSWR Hình 3.16 thể ảnh hưởng L2 tới VSWR ăng-ten Ta thấy L2 tăng lên làm chế độ cộng hưởng thứ ba cộng hưởng 3.5 GHz, đồng thời VSWR tăng lên dải tần hoạt động ăng-ten bị giảm theo Khi L2 giảm chế độ thứ ba đạt cộng hưởng 3.7 GHz làm tăng dải tần ăng-ten tần số cộng hưởng tăng làm vượt khỏi dải tần khảo sát 5G nên L2=28.6 mm lựa chọn để ăngten hoạt động ổn định 70 Hình 3.32: Ảnh hưởng G1 tới VSWR Hình 3.33: Ảnh hưởng G2 tới VSWR Việc tăng giảm G1 không gây ảnh hưởng nhiều đến tần số cộng hưởng ăngten Nhưng giảm G1 làm VSWR khoảng tần số cộng hưởng thứ hai 71 ba tăng lên, tương tự điều xảy giảm G1 khoảng tần số cộng hưởng thứ thứ hai Điều cho thấy G1=6mm giúp ăng-ten hoạt động ổn định Tương tự Hình 3.18 với G2=2.5mm thiết kế phù hợp cho ăng-ten Ta sử dụng máng phản xạ có chiều cao Hp=10mm độ rộng mặt phẳng đất lúc Ld=120mm Máng phản xạ phần đặt vng góc bao quanh mặt phẳng đất hướng phía ăng-ten Mục đích việc thêm máng phản xạ vào để giúp tăng tăng ích ăng-ten Khi ăng-ten có tăng ích tăng lên khoảng cách sóng truyền khơng gian xa làm công suất phát chúng chặt chẽ giúp cho nhiều lượng truyền đến đích hơn, khoảng cách xa Đối với trạm phát sóng di động, sóng truyền xa khơng gian giúp tăng khoảng cách trạm khác nhau, đồng thời việc làm giảm chi phí lắp đặt cho nhà mạng Hình 3.19 tăng Hp ta thấy tăng ích ăng-ten tăng lên ổn định toàn dải tần làm việc Tại tần số 3.4-3.6 GHz tăng ích tăng lên đáng kể nhất, dải tần số cần ý dải tần hoạt động hệ thống di động 5G Hình 3.34: Đồ thị Gain ăng-ten Hp = 10 mm 72 Để giải thích rõ chế xạ ba chế độ cộng hưởng, ta tìm hiểu phân bố dòng điện bề mặt lớp ăng ten ba tần số cộng hưởng phần tư pha kích thích Các tần số 1.8, 2.8, 3.6 GHz tần số trung tâm ba chế độ cộng hưởng Góc ψ = π/2 hai trạng thái bụng dòng lưỡng cực có giá trị tối thiểu tối đa với bụng dòng hiểu điểm mà đường truyền dòng điện hay điện có biên độ cực đại Đối với trạng thái ψ = 0, phân phối dòng điện bề mặt ba tần số tương tự dòng điện bề mặt lưỡng cực điều khiển ký sinh ngược chiều Tại tần số cộng hưởng 1.8 GHz với ψ = π/2 bụng dòng lưỡng cực điều khiển đạt trạng thái tối đa, xa cổng cho ăn cường độ giảm Trên lưỡng cực kí sinh, cường độ dòng điện tương đối ổn định mức trung bình Các phân phối điện áp lưỡng cực ký sinh tạo thành hai vòng chiều ngược chiều kim đồng hồ đối điện với qua lưỡng cực điều khiển, đồng thời ngược chiều với chiều dòng điện lưỡng cực điều khiển Do đó, xạ chế độ cộng hưởng chủ yếu lưỡng cực điều khiển tạo nên Tại tần số cộng hưởng thứ hai 2.8 GHz với ψ = π/2 bụng dòng đạt trạng thái tối đa lưỡng cực điều khiển cường độ dòng điện có phần so với tần số 1.8 GHz Trên lưỡng cực ký sinh phân phối điện áp mức trung bình Tuy cường độ dòng điện tần số so với tần số cộng hưởng xạ chủ yếu lưỡng cực điều khiển tạo nên bị ảnh hưởng chế độ ghép ăng-ten lưỡng cực chéo DL Tại tần số 2.8 GHz khả cộng hưởng ăng-ten tốt Tại tần số cộng hưởng thứ ba 3.6 GHz với ψ = π/2 bụng sóng tiếp tục đạt trạng thái tối đa xạ tốt so với hai chế độ cộng hưởng trước cường độ dòng điện khơng tập trung nhiều cộng cho ăn Đồng thời, cường độ dòng điện lưỡng cực ký sinh trở nên nhỏ hơn, ngược chiều với cường độ dòng điện lưỡng cực điều khiển Bức xạ lưỡng cực ký sinh tương đối nhỏ nên xạ quy cho lưỡng cực điều khiển Sự cộng hưởng tần số 3.6 GHz tốt hẳn so với hai tần số Điều đáng ý dòng điện vòng lặp ES nhỏ lưỡng cực chéo DL yếu hai tần số tương đối mạnh mức tần số 3,6 GHz với hai góc ψ = ψ = π/2 Từ kết phân tích cho thấy, chế độ 73 chế độ cộng hưởng lưỡng cực điều khiển, chế độ thứ hai thứ ba chế độ cộng hưởng ghép ăng ten lưỡng cực chéo DL Chế độ cộng hưởng thứ ba tốt so với hai chế độ lại 3.4 Kết mơ ăng-ten Sử dụng tần số trung tâm 2.2 GHz ta thu kết mơ Hình 3.35: Đồ thị VSWR ăng-ten cổng 74 Hình 3.36: Đồ thị thể cách ly ăng-ten Hình 3.20 kết tỉ số sóng đứng VSWR ăng-ten cổng có đồ thị tương đối giống cấu trúc cổng tương tự, thấy ăng-ten đạt ba chế độ cộng hưởng tần số 1.8, 2.8 3.6 GHz Trong dải tần hoạt động từ 1.7-3.7 GHz tỷ số sóng đứng điện áp VSWR nhỏ 1.5 lên đến gần 90% tốt tần số 3.6 GHz tần số nằm dải tần hoạt động 5G Ăng-ten có sư phối hợp trở kháng tương đối tốt, làm khả thu phát tín hiệu ăng-ten hiệu Hình 3.21 cách ly cổng, ăng-ten đạt cách ly lớn 30 dB cho dải tần làm việc 5G từ 3.4-3.6 GHz Trong dải tần 1.7-2.7 GHz cách ly ăng-ten đạt thấp 17.5 dB tần số 1.7 GHz cao 37 dB 2.6 GHz liên tục tăng theo toàn dải tần Tăng ích ăng-ten đạt khoảng 8.2 dB dải tần từ 1.7-2.7 GHz (2G, 3G, 4G) đạt 8.7 dB dải tần 3.4-3.6 GHz (5G) Hình 3.22 Trong tần số hoạt 75 động 5G tăng ích đạt giá trị cao so với dải tần di động lại giúp truyền sóng di động 5G tốt xa Hình 3.37: Đồ thị Gain ăng-ten 76 Hình 3.38: Đồ thị xạ cổng tần số 1.8, 2.8, 3.4 3.6 GHz với góc φ=-45o 77 Hình 3.39: Đồ thị xạ cổng tần số 1.8, 2.8, 3.4 3.6 GHz với góc φ=-45o 78 Hình 3.40: Đồ thị xạ cổng tần số 1.8, 2.8, 3.4 3.6 GHz với góc φ=+45o 79 Hình 3.41: Đồ thị xạ cổng tần số 1.8, 2.8, 3.4 3.6 GHz với góc φ=+45o Hình 3.23-3.26 đồ thị xạ cổng ăng-ten tần số 1.8, 2.8, 3.4, 3.6 GHz tương ứng với góc φ=±45o Bức xạ ăng-ten cổng chéo có hình dạng gần giống thể phần cực chéo ăng-ten 3.5 Kết luận chương Qua chương này, ta sâu vào tìm hiểu cấu trúc ăng-ten phân cực kép băng rộng Hiểu cách tạo ba chế độ cộng hưởng cho ăng-ten, làm tăng băng thông ăng-ten Thiết kế ăng-ten lưỡng cực chéo đơn SL với hai chế độ cộng hưởng cách lồng thêm vòng lặp ES tạo nên lưỡng cực chéo hai vòng DL làm tăng thêm chế độ cộng hưởng Từ ta thiết kế ăng-ten phân cực kép băng rộng với ba chế độ cộng hưởng phục vụ cho 2G, 3G, 4G 5G 80 KẾT LUẬN Sau thực đồ án “Nghiên cứu thiết kế ăng-ten phân cực kép băng rộng với ba chế độ cộng hưởng” em nắm số kiến thức lý thuyết ăngten tìm hiểu thơng số đặc tính Đồ án trình lý thuyết ăng-ten phân cực kép đưa số loại ăng-ten phân cực kép nghiên cứu sử dụng, từ có kiến thức lựa chọn phù hợp để thiết kế ăng-ten theo yêu cầu Cấu trúc ăng-ten đề xuất với mục đích mở rộng băng thông cho ăng-ten phân cực kép giúp ăng-ten hoạt động dải tần 1.7-3.6 GHz với ba tần số cộng hưởng khác Với mục đích đó, mục tiêu ăng-ten truyền tải thơng tin tốt phục vụ cho hệ thống thông tin di động 2G, 3G, 4G có tiến xa hệ thống 5G phát triển Trong trình thực đồ án này, thời gian hạn hẹp kinh nghiệm lĩnh vực hạn chế nên khơng thể tránh thiếu sót Em mong nhận giúp đỡ bảo thêm từ thầy để em cải thiện hiểu biết thân nữa, góp ý cho đề tài để hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ITU-R, “Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond,” Technical Report M.2083, September [2] C A Balanis, Antenna Theory John Wiley & Sons, 2005 [3] Mirhamed Mirmozafari, Guifu Zhang, Caleb Fulton, and Richard J Doviak “DualPolarization Antennas With High Isolation and Polarization Purity”, IEEE Antennas and Propagation Magazine ( Volume: 61 , Issue: , Feb 2019 ) [4] P Anh, Lý thuyết kỹ thuật ăng ten Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2007 [5] Y Zhang, D Li, Y Zhang, and Y Fan, “Compact Wideband Dual-Polarized Antenna With High Isolation Using Modified Direct Feeding Structure For Indoor Beamforming Array Applications” IEEE Access, vol 6, pp 66396-66402, Oct 2018 [6] https://vi.wikipedia.org/wiki/5G truy cập cuối ngày 31/12/2019 [7] Thông tin di động số, Ericsson, 1996 [8] https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_mobile_phones truy cập cuối ngày 31/12/2019 [9] Fundamentals of wireless communicationJuly of David Tse, Pramod Viswanath, 2005 82 ... dụng thơng tin di động Với mục tiêu thiết kế ăng-ten cho trạm thu phát sóng di động, em chọn đề tài: Nghiên cứu thiết kế ăng-ten phân cực kép băng rộng với ba chế độ cộng hưởng Trong trình... trình bày đồ án Nghiên cứu thiết kế ăng-ten phân cực kép băng rộng với ba chế độ cộng hưởng kết trình tìm hiểu nghiên cứu tơi Các liệu nêu đồ án hoàn toàn trung thực, phản ánh kết thực tế Mọi... dẫn) Giảng viên hướng dẫn: Họ tên sinh viên: MSSV: Tên đồ án: Nghiên cứu thiết kế ăng-ten phân cực kép băng rộng với ba chế độ cộng hưởng Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu