Khảo sát các phương án cấu trúc anten planar cho hệ thống uwb

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THÀNH TÍN KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG ÁN CẤU TRÚC ANTEN PLANAR Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2014 i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH TÍN MSHV: 12140048 Ngày, tháng, năm sinh: 20/04/1986 Nơi sinh: Bạc Liêu Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số : 60 52 70 I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG ÁN CẤU TRÚC ANTEN PLANAR II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo QĐ giao đề tài) IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài) V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): Tp HCM, ngày tháng năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) iii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Phan Hồng Phương tận tình hướng dẫn hỗ trợ em nhiều luận văn Với dẫn dắt định hướng , cách làm việc khoa học giúp em hoàn thành luận văn cao học trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM Em xin cảm ơn thầy cô trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM truyền đạt cho em kiến thức tảng để làm việc thực đề tài Cuối xin gửi tới cha mẹ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, ủng hộ động viên sống Tôi xin cảm ơn người bạn học tập trao đổi kinh nghiệm sống học tập để góp phần hồn thành tốt luận văn Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014 Học viên Nguyễn Thành Tín iv TÓM TẮT LUẬN VĂN Khảo sát phương án cấu trúc anten planar UWB tiêu biểu: antenna Monopole hình chữ nhật, antenna Monopole tròn Một vài băng tần công nghệ băng hẹp cấp phát khoảng tần số UWB, LAN không dây tần số 5.2 GHz (5150 MHz – 5350 MHz) 5.8 GHz (5725 MHz – 5825 MHz), có khả giao thoa với hệ thống UWB Do việc khảo sát phương án cấu trúc đặc tính Band–Notched Anten Planar, để làm giảm giao thoa không mong muốn từ hệ thống LAN không dây ý Và luận văn tiến hành chế tạo khảo sát anten UWB có tính này, cách chèn khe cộng hưởng băng hẹp cấu trúc hình học phẳng anten Qua cấu trúc khảo sát nhận xét rút nguyên tắc Band-Notch băng tần 5-6GHz dựa vào lý thuyết v ABSTRACT Survey plans UWB planar antenna structure typical Monopole Antenna rectangular, circular Monopole antennas A few bands in narrowband technologies have been issued within the UWB frequency range, such as wireless LAN at 5.2 GHz frequency (5150 MHz - 5350 MHz) and 5.8 GHz (5725 MHz - 5825 MHz), it is likely interference with UWB systems Therefore, in examining the structure plan features in Band-Notched Planar Antennas, to reduce unwanted interference from wireless LAN systems are being noticed And in this essay to begin production and UWB antennas survey this feature by inserting a narrowband resonance slit in the flat structure of the antenna geometry Through the survey commented structure and principles drawn Band-Notch 5-6GHz band based on the basic theory vi LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan kết đề tài thực chưa công bố cơng trình khoa học trước Người cam đoan Nguyễn Thành Tín vii MỤC LỤC Trang bìa i Trang phụ ii Nhiệm vụ luận văn iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt luận văn vi Lời cam đoan .vii Mục lục viii Danh sách hình vẽ & bảng biểu .x Danh sách từ viết tắt xiii CHƯƠNG : Mở đầu 1.1.Động lực thực đề tài 1.2 Đặc điểm UWB 1.3 Ứng dụng UWB 1.4 Mục tiêu đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Hướng tiếp cận anten vi dải 1.5.2 Thiết kế thành phần 1.5.3 Thiết kế thành phần cấp nguồn 1.5.4 Quá trình thiết kế anten 11 Chương : Khái quát công nghệ UWB 12 2.1 Giới thiệu 12 2.2 Lịch sử 12 2.3 Tín hiệu UWB 13 2.4 Các chuẩn qui định 14 2.4.1 Thiết bị thông tin 14 2.4.2 Imaging devices 14 2.4.3 Hệ thống radar giao thông 15 CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ ANTEN 16 3.1 Lý thuyết chung anten: 16 3.1.1 Giới thiệu: 16 3.1.2 Đặc tính xạ điện từ anten 17 3.2 Các tham số anten 18 3.2.1 Đồ thị xạ (Radiation pattern) 19 3.2.2 Búp sóng (Lobe) 21 3.2.3 Cường độ xạ (Radiation Intensity) 25 3.2.4 Độ định hướng (Directional) 25 3.2.5 Hiệu suất anten 26 3.2.6 Độ lợi (Gain) 27 viii 3.2.7 Dải thông anten (FBW – Frequency Bandwidth) 27 3.2.8 Trở kháng vào 28 3.2.9 Sự Phân cực 29 CHƯƠNG IV: CÔNG NGHỆ ANTEN VI DẢI 30 4.1 Các hình dạng anten vi dải 30 4.2 Các đặc tính anten vi dải 31 4.3 Băng thông MSA 32 4.4 Nguyên lý xạ anten vi dải 33 4.5 Trường xạ anten vi dải 36 CHƯƠNG V KHẢO SÁT CÁC PHƯƠNG ÁN CẤU TRÚC ATNEN PLANAR CHO HỆ THỐNG UWB 38 5.1 Khảo sát anten có patch hình lục giác 38 5.1.1 Giới thiệu 38 5.1.2 Cấu trúc anten phân tích 38 5.1.3 Cải tiến cấu trúc Anten 40 5.1.4 Kết 41 5.2 Khảo sát Anten có Patch elip 42 5.2.1 Giới thiệu 42 5.2.2 Thiết kế Anten 43 5.2.3 Kết phân tích 44 5.3 Khảo sát anten có Patch hình vịng cung 48 5.3.1 Giới thiệu 48 5.3.2 Thiết kế anten UWB 48 5.3.3 Kết 56 5.4 Rút nhận xét chung qua cơng trình khảo sát 57 Chương VI :KHẢO SÁT, MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ ANTEN PLANAR CHO HỆ THỐNG UWB 58 6.1 Thực khảo sát Anten patch hình chữ nhật 58 6.1.1 Anten patch hình chữ nhật 58 6.1.2 Thiết kế Anten Planar Band-Notch 61 6.1.3 Thi công đo đạc 70 6.2 Thực khảo sát Anten patch hình trịn 73 6.2.1 Anten patch hình trịn 73 6.1.2 Thiết kế Anten Planar Band-Notch 75 6.2.3 Thi công đo đạc 84 6.3 Thực khảo sát Anten patch hình lục giác 86 6.2.1 Anten patch hình lục giác 86 6.1.2 Thiết kế Anten Planar Band-Notch 87 6.2.3 Thi công đo đạc 95 6.4 Kết đo 98 Chương VII : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 99 7.1 Kết kết luận 99 7.1.1 Kết đạt 99 7.1.2 Kết luận 99 7.2 Hướng phát triển đề tài 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 LÝ LỊCH KHOA HỌC TRÍCH NGANG 103 ix DANH SÁCH HÌNH VẼ & BẢNG BIỂU Hình 1.1 Phổ hệ thống UWB số hệ thống khác Hình 1.2 Kết nối thiết bị sử dụng UWB Hình 1.3 Các thiết bị Dual-role kết nối trực tiếp với theo WUSB Hình 1.4 Các radar chống trộm, tránh xung đột đo độ xác cao Hình 1.5 Anten vi dải Hình 1.6 Cấp nguồn đường truyền vi dải Hình 1.7 Cấp nguồn đường truyền CPW Hình 1.8 : Lưu đồ trình thiết kế anten Hình 2.1 Lịch sử phát triển cơng nghệ UWB Hình 2.2 Miền tần số Hình 2.3 Giới hạn phát UWB cho thiết bị cầm tay ngồi trời Hình 2.4 Giới hạn phát UWB cho Imaging devices Hình 2.5 Giới hạn phát UWB cho hệ thống radar xe Hình 3.1: Phát xạ anten Hình 3.2 Hệ thống tọa độ để phân tích anten Hình 3.3 Giản đồ xạ vơ hướng anten Hình 3.4 Giản đồ xạ mặt phẳng E mặt phẳng H cho anten loa Hình 3.5: Búp sóng Hình 3.6: Độ rộng giá trị khơng Hình 3.7 Vùng phản xạ Hình 3.8 Hình thể cường độ diện tích xạ Hình 3.9 Các dạng phân cực Hình 4.1: Các dạng anten vi dải thơng dụng Hình 4.2: Phân bố điện tích dịng điện anten vi dải hình chữ nhật Hình 4.3: Mơ hình hốc cộng hưởng anten vi dải Hình 4.4 Dịng tương đương hai khe xạ Hình 5.1 Cấu trúc Anten Hình 5.2 Mạch tương đương Hình 5.3 Mơ đường cong trở kháng Anten Hình 5.4 Tiến trình cải tiến Hình 5.5 VSWR Anten ban đầu, Anten I, Anten II (a) mô phỏng, (b) đo đạc Hình 5.6 Phân bố dịng Anten (a) 3.5GHz (b) 5.5GHz Hình 5.7 Đo đạc mơ VSWR Hình 5.8 (a) mơ phỏng, (b) đo đạc đồ thị xạ tần số 4.5GHz, 6.5GHz,10GHz Hình 5.9 Hình dạng Anten UWB mạch in với Dual Band- Notch Hình 5.10: Đo đạc mô |S11 x Luận văn Thạc Sĩ ngành Kỹ Thuật Điện Tử f) Hình 6.41 Đồ thị khu trường xa dạng 3D dải tần b) f=3.1GHz;b) f=4GHz;c) f=.55GHz;d) f=7GHz; e) f=9GHz; f) f=10.6Ghz Hình 6.40 thể đồ thị xạ theo hai mặt phẳng E-Plane H-Plane a) H-plane HVTH : Nguyễn Thành Tín GVHD : TS.Phan Hồng Phương 93 Luận văn Thạc Sĩ ngành Kỹ Thuật Điện Tử b) E-plane Hình 6.42 Đồ thị xạ anten Hình 6.43 thể hiên hiệu suất xạ anten thấp tần số 5.5GHz 71.37% Và tất tần số khác hiệu suất 80% Hình 6.43 Hiệu suất xạ anten Trong khoảng tần số từ 5GHz đến GHz Band-Notched nên đồ thị xạ cho thấy độ lợi thấp dải tần Cụ thể, tần số 5.5GHz có độ lợi 0.093dB HVTH : Nguyễn Thành Tín GVHD : TS.Phan Hồng Phương 94 Luận văn Thạc Sĩ ngành Kỹ Thuật Điện Tử Hình 6.44 độ lợi anten thấp tần số 5.5 GHz Và tần số khác có độ lợi cao 2dB Hình 6.44 Thể độ lợi Anten Nhận xét q trình khảo sát anten có patch lục giác Ưu điểm :  Đạt yêu cầu đặt S11 -10dB từ 3.1GHz đến 10.6GHz  Tạo cộng hưởng 3.1GHz đến 5GHz cộng hưởng tiếp từ 6GHz đến 10.6GHz  Tạo khoảng Notch từ 5GHz đến 6GHz  Độ lợi 2dB dải tần khoảng Notch Nhược điểm :  Dải tần đáp ứng rộng 3.1GHz 10.6GHz đáng kể  Hiệu suất xạ chưa tốt tần số Notch  Dải tần số cao có nhiều búp sóng phụ 6.2.3 Thi cơng đo đạc Do điều kiện hạn chế phịng thí nghiệm nên thơng số đo đạc máy đo cao tần Network Analyzer ZVB8 có tầm đo đến 8GHz Nên dải tần cao từ đến 10.6GHz không kiểm chứng Anten thi công chất FR4, số điện môi tương đối 4.4 Độ dầy chất 1.6 mm Các thông số Anten thể bảng 6.10 HVTH : Nguyễn Thành Tín GVHD : TS.Phan Hồng Phương 95 Luận văn Thạc Sĩ ngành Kỹ Thuật Điện Tử Bảng 6.10 Thông số thi công anten patch lục giác Các thông số Anten Đơn vị: mm LL 29 WW 40 R1 14.2 R2 8.7 S 3.8 G 0.47 U1 4.63 U2 V2 5.12 U3 4.5 Hình 6.45 Anten thi cơng với kích thước nêu Kết đo máy cao tần Network Analyzer ZVB8 cho thấy Anten hoạt động tốt dải tần 3.06 GHz đến 5.06 từ 6GHz đến 8GHz hệ số phản xạ S11 < -10dB Band-Notched hoạt động hiệu dải tần 5.06GHz đến 6GHz đạt yêu cầu đặt HVTH : Nguyễn Thành Tín GVHD : TS.Phan Hồng Phương 96 Luận văn Thạc Sĩ ngành Kỹ Thuật Điện Tử a) b) Hình 6.46 a) Hình chụp từ camara, b) File hình S11 lấy từ máy đo Hình 6.47 Thể kết mô kết đo đạc S11 thực tế đồ thị HVTH : Nguyễn Thành Tín GVHD : TS.Phan Hồng Phương 97 Luận văn Thạc Sĩ ngành Kỹ Thuật Điện Tử 6.4 Kết đo Do hạn chế điều kiện phịng thí nghiệm nên kết đo kiểm chứng S11 dải tần đến 8GHz Kết đo cao tần Network Analyzer ZVB8 cho thấy anten hoạt động tốt dải tần 3.1GHz đến 5GHz 6GHz đến 8GHz hệ số phản xạ S11