Thiết kế, tối ưu anten uwb đo kiểm, đánh giá kết quả bằng thực nghiệm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG VĂN HỒNG THƠNG THIẾT KẾ, TỐI ƯU ANTEN UWB - ĐO KIỂM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ BẰNG THỰC NGHIỆM Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập-Tự do-Hạnh phúc - Tp.Hồ Chí Minh, ngày… tháng … năm … 20… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên:…………………………………………………… Phái: ……………… Ngày, tháng, năm sinh:…………………………………………… Nơi sinh:…………… Chuyên ngành:………………………………………………………MSHV:…………… I-TÊN ĐỀ TÀI : ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QUẢN LÝ CHUN NGÀNH CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Phan Hồng Phương Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Phạm Hồng Liên Cán chấm nhận xét 2: TS Đỗ Hồng Tuấn Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Tp.Hồ Chí Minh ngày 12 tháng năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Phạm Hồng Liên TS Đỗ Hồng Tuấn TS Phan Hồng Phương Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn PGS.TS Phạm Hồng Liên Bộ môn quản lý chuyên ngành TS Đỗ Hồng Tuấn I LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cám ơn đến quan tâm bạn bè, người thân, thầy cô khoảng thời gian học tập vừa qua Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến hướng dẫn thực luận văn cô Phan Hồng Phương Xin cám ơn quan tạo điều kiện cho tham gia học tập nâng cao trường Đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh II TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Nội dung luận văn:  Trình bày tổng quan cơng nghệ UWB  Giới thiệu cơng trình nghiên cứu khoa học có liên quan đến đề tài  Thiết kế anten dựa yêu cầu tối thiểu băng thơng UWB, kích thước anten vật liệu thi công anten  Tối ưu anten dựa yêu cầu tăng băng thông, đa băng tần UWB, hạn chế giao thoa với WiFi  Đo kiểm tra mẫu anten thiết kế cho thi công để đánh giá khác biệt kết thiết kế thực tế III MỤC LỤC MỞ ĐẦU - 1.1 Giới thiệu tổng quan - 1.2 Định nghĩa - 1.3 Tín hiệu UWB - 1.4 Các ưu điểm: - 1.5 Các ứng dụng thực tế: - 1.6 Lý chọn đề tài - 1.7 Mục tiêu ý nghĩa đề tài - 10 1.8 Đối tượng nghiên cứu: - 11 - TỔNG QUAN - 11 2.1 Các cơng trình nghiên cứu liên quan đến đề tài: - 11 2.2 Những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu giải quyết: - 22 - NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẶC LÝ THUYẾT - 22 3.1 Cơ chế xạ [1] - 22 3.2 Phân tích biểu diễn tốn xạ máy tính - 26 3.3 Giới thiệu anten vi dải: - 26 - TRÌNH BÀY, ĐÁNH GIÁ, BÀN LUẬN CÁC KẾT QUẢ - 30 4.1 Thiết kế tối ưu anten UWB - 31 4.2 Đo kiểm đánh giá kết thực nghiệm - 42 - KẾT LUẬN - 47 - HƯỚNG PHÁT TRIỂN - 47 - DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO - 48 - PHỤ LỤC IV ĐỒ THỊ Đồ thị 4-1: Khảo sát ảnh hưởng độ cao G đến S11 - 33 Đồ thị 4-2: Đáp ứng anten với thông số ban đầu - 34 Đồ thị 4-3: Đáp ứng anten với Wl - 35 Đồ thị 4-4: Đáp ứng anten “làm trịn” góc vng - 36 Đồ thị 4-5: Đáp ứng anten với Rl - 37 Đồ thị 4-6: Đáp ứng anten với Rr - 37 Đồ thị 4-7: Đáp ứng anten với X - 38 Đồ thị 4-8: Đáp ứng anten với L2 - 39 Đồ thị 4-9: Đáp ứng anten kết thiết kế - 41 Đồ thị 4-10: Tín hiệu vào, anten; màu đỏ: tín hiệu vào; màu xanh tín hiệu ra- 42 Đồ thị 4-11: Đáp ứng anten mô thiết kế để thử nghiệm - 45 Đồ thị 4-12: Kết đo thông số S11 - 46 Đồ thị 4-13: So sánh kết mô thực nghiệm - 46 HÌNH Hình 1-1: Định nghĩa tín hiệu UWB [9] - Hình 1-2: Cạnh nhọn tín hiệu tạo tín hiệu UWB [9] - Hình 1-3: Ngõ mạch logic phát tín hiệu UWB, sau lọc để có băng tần mong muốn [9] - Hình 1-4: Biểu diễn miền thời gian miền tần số xung thông qua biến đổi Fourier [9] - Hình 1-5: Tín hiệu trơn miền thời gian có lượng bên tần số mong muốn [9] - Hình 1-6: Các tín hiệu khác miền thời gian có băng thơng, lượng bên [9] - Hình 1-7: Xung gauss băng gốc phổ tần [9] - Hình 1-8: Xung Gauss điều biến dịch tần hàm cos phổ tần số [9] - Hình 1-9: Xung Gauss tín hiệu UWB chương trình mơ - - V Hình 1-10: So sánh tốc độ bit phụ thuộc khoảng cách kỹ thuật vô tuyến (nguồn:www.intel.com) - Hình 2-1: Cấu trúc anten UWB [2] - 12 Hình 2-2: Đáp ứng anten theo thiết kế theo đo kiểm [2] - 12 Hình 2-3: Phân bố dòng điện anten [2] - 13 Hình 2-4: Cấu trúc DR chữ nhật cạnh mặt phẳng đất thẳng đứng: (a) mặt sau, (b) isomitric (c) mặt trước (d) cạnh [8] - 14 Hình 2-5: DR dạng chữ A đặt cạnh mặt phẳng đất: (a) mặt trước (b) mặt nghiêng [8] - 15 Hình 2-6:Hệ số phản xạ DRA hình chữ nhật hệ số phản xạ DRA hình chữ A [8] 15 Hình 2-7:Hệ số phản xạ DRA hình chữ A mơ đo kiểm [8] - 15 Hình 2-8: Hình dạng anten đơn cực phẳng xiên góc (L=19 mm h0=0.2 mm) hệ số phản xạ ngõ vào [6] - 17 Hình 2-9: Hình dạng an anten đơn cực phẳng vng xiên góc với khe cộng hưởng ( L= 19 mm, l1=10 mm, l2=8 mm, t= mm, hs=4 mm, h0=0.2 mm) [6] - 17 Hình 2-10:Hệ số phản xạ anten quan sát đáp ứng băng tần lõm [6] - 18 Hình 2-11: Hình dạng anten đơn cực phẳng vng xiên góc với vịng gần vuông nhúng bề mặt mặt phẳng anten (L=19mm; l1=l2=8mm; t=2 mm; =20 0) [6] 18 Hình 2-12: Hình dạng anten đơn cực phẳng UWB với vịng khe vng có PIN diode, mạch RF-DC (L=19 mm, h0=0.2 mm, =230, Ls=10.2 mm, Ws=9.2 mm, ls=3.5 mm, l1=5.1 mm, l2=0.3 mm) Phần màu xám tương ứng với mặt sau anten [6] - 19 Hình 2-13: VSWR mơ cho cấu trúc hình vẽ 12 (đường cong đậm) cho anten dải đỉnh khe (đường chấm) [6] - 19 Hình 2-14: (a) Hình dạng mạch vi dải phân cách RF-DC (b) Các thông số S mô CST (cấu trúc đối xứng) [6] - 20 - VI Hình 2-15: Hình dạng anten đơn cực phẳng band-notched có khe gắn điện kháng biến thiên [6] - 20 Hình 2-16: Hình dạng anten đơn cực lai ghép: (a) thiết kế toàn băng tần; (b) thiết kế có chức band-notched, đơn vị kích thước (mm) [3] - 21 Hình 2-17: So sánh kết mô (Lg=9mm) kết đo anten với Lg khác (M=30 deg, B1m=5.5 mm, g=1.5 mm, r=0.48, w=1.875 mm, h=1 mm) [3] - 22 Hình 3-1: Phân bố điện tích mặt cắt dọc dây hình trụ [1] - 23 Hình 3-2: Cấu trúc Anten vi dải [1] - 27 Hình 3-3: Phương pháp cấp nguồn đồng trục [1] - 29 Hình 3-4: Phương pháp cấp nguồn ghép khe [1] - 30 Hình 3-5: Phương pháp cấp nguồn ghép gần [1] - 30 Hình 3-6: Phương pháp cấp nguồn vi dải [1] - 30 Hình 4-1: Cấu trúc Anten vi dải - 32 Hình 4-2: Cấu trúc anten “làm trịn” góc vng - 36 Hình 4-3:Cấu trúc anten thực “tối ưu” - 38 Hình 4-4: Bản vẽ thiết kế anten kết - 40 Hình 4-5: Trình tự vẽ anten sau có thiết kế - 41 Hình 4-6: Mặt trước anten thi cơng - 44 Hình 4-7: Mặt sau anten thi công - 45 - BẢNG BIỂU Bảng 4-1: Các thông số anten xác định ban đầu - 34 Bảng 4-2:Các thông số anten tối ưu - 40 Bảng 4-3: Các thông số anten thiết kế dùng để đo kiểm - 44 - DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DC DR DRA Direct Current Dielectric Resonator Dielectric Resonator Antenna VII Digital Video Disc DVD Finite Difference Time Domain FD-TD Gigahertz GHz Ground Penetrating Radar GPR Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE Impulse Radio Ultra-Wide Band IR-UWB Local Area Network LAN MEmbrane Microelectromechanical Systems MEMS Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC Printed Circuit Board PCB Positive Intrinsic Negative PIN Radio Frequency RF Super High Frequency SHF SubMiniature version A SMA Surface Mount Device SMD US FCC United States Federal Communication Commission Universal Serial Bus USB Ultra-Wide Band UWB Very Large Scale Integration VLSI Voice over Internet Protocal VoIP Voltage Standing Wave Ratio VSWR Wireless Local Area Network WLAN Wireless Personal Area Network WPAN - 43 - Do vật liệu chọn thiết kế có số điện mơi 2.3 khơng tìm được, khơng tính khách quan mục tiêu đo kiểm thực nghiệm, học viên sử dụng vật liệu FR4 có số điện mơi 4.8 Áp dụng cách thiết kế tương tự cho FR 4, từ tần số cộng hưởng 4GHz để ước lượng kích thước anten tần số phối hợp trở kháng 8GHz bước sóng λ/4 để ước lượng chiều dài dải dẫn, học viên có thơng số hình học: kích thước anten chiều dài dải dẫn Để ước lượng kích thước anten, từ cơng thức tính dải dẫn với bề dày đế h=1 mm, chọn cơng thức tính điện trở đặc tính R0 dải dẫn tỷ số (w/h)> để đạt phối hợp trở kháng 50 Ohm với đầu nối cấp nguồn SMA, giải phương trình với R0=50 Ohm, chọn w=2mm xác định chiều dài dải dẫn từ Zin=ZSMA=50 Ohm, áp dụng tính chất đường truyền phần tư bước sóng cho dải dẫn, xem đầu nối cấp nguồn SMA trở kháng ZSMA= 50 Ohm trở kháng đầu vào nhìn từ đầu cịn lại dải dẫn Z=(R02/ZSMA)=50 Ohm, đạt trạng thái phối hợp trở kháng dải dẫn với trở kháng SMA Do anten đa băng tần, chọn tần số GHz làm mốc để tính chiều dài dải dẫn với phần tư bước sóng: L=(λ/4)=(1/4)*(c/f)=9,375 mm Học viên chọn chiều dài L: L= mm Để xác định kích thước anten làm mốc để thiết kế tối ưu, sử dụng cơng thức tính tốn kích thước anten cộng hưởng tần số fch=4 GHz: W=H=c/(2f*sqrt(epsilon substrate))=(3.108/(2.4.106).2,2)=17 mm Sau đó, áp dụng cấu trúc patch đồng dạng phần thiết kế thực phân tích mơ thử với nhiều giá trị hình học khác nhau, chọn thơng số hình học sau: Kích thước Độ lớn theo mm W 17 H 21 - 44 - Wl 6.5 Wr 8.5 Z L L1 7.5 L2 5.5 G 6.8 x R1 R2 Bảng 4-3: Các thông số anten thiết kế dùng để đo kiểm Hình 4-6: Mặt trước anten thi cơng - 45 - Hình 4-7: Mặt sau anten thi cơng Đồ thị 4-13: Đáp ứng anten mô thiết kế để thử nghiệm Biện pháp thi công: thực công ty TNHH Kim Sơn PCB Thiết bị đo: Vector Network Analyzer với tầm đo: 300 MHz đến Ghz Kết quả: - 46 - Đồ thị 4-14: Kết đo thông số S11 10.2 9.74 9.3 8.85 8.41 7.97 7.53 7.08 6.64 6.2 5.76 5.31 4.87 4.43 3.99 3.54 -5 Tần số (GHz) 3.1 S11 (dB) -10 -15 -20 -25 -30 Đồ thị 4-15: So sánh kết mô thực nghiệm mô thực nghiệm - 47 - Đánh giá: Kết mô thực nghiệm đồng dạng với nhau, có khác biệt kết đồ thị 4-13, điển hình tần số cộng hưởng, mô đạt cộng hưởng tần số 4.3 GHz, thực nghiệm đạt cộng hưởng tần số 4.8 Ghz Sự sai lệch không lý tưởng điều kiện thi công, môi trường đo, không lý tưởng thông số vật liệu so với mơ máy tính KẾT LUẬN Học viên thực thiết kế tối ưu anten có đáp ứng tần số theo băng tần UWB, loại bỏ tín hiệu Wi-Fi, có cấu trúc nhỏ, gọn, đơn giản Kết thiết kế phù hợp với phương pháp, sở phân tích thiết kế dựa vào việc tính điện trở đặc tính dải dẫn anten vi dải, tính kích thước anten vi dải theo tần số cộng hưởng, anten đạt trạng thái phối hợp trở kháng theo yêu cầu thiết kế Học viên thực đo kiểm đánh giá kết anten thật để kiểm chứng mô thực nghiệm với kết tương đồng HƯỚNG PHÁT TRIỂN Phân tích ảnh hưởng thông số vật liệu khác đến hoạt động anten Thiết kế anten dựa ứng dụng cụ thể cho lĩnh vực khác vốn có yêu cầu đặc trưng khác Tối ưu anten theo thông số đánh giá anten khác độ lợi, hiệu suất, trường xạ Thực nhiều thí nghiệm kiểm chứng mơ thực nghiệm để có đánh giá cụ thể mức độ khác biệt mô thực nghiệm Thực mơ hình hóa điểm gián đoạn dùng cơng nghệ vi dải mạch điện tương đương có thơng số tập trung, phân tích ảnh hưởng mặt phẳng đất đáp ứng anten vi dải - 48 - DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Constantine A.Balanis, “Antenna theory analysis and design”, John Wiley & sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005 [2] Zhi Ning Chen, “Antennas for portable devices”, John Wiley & sons Ltd, The atrium, Southern Gate, Chilester, England, 2007 [3] Raha Eshtiaghi, Javad Nourinia, Changiz Ghobadi, “Electromagnetically Coupled Band-Notched Elliptical Monopole Antenna for UWB Applications”, IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol.58, No.4, pp.1397-1402, April 2010 [4] Vũ Đình Thành, “Lý thuyết sở kỹ thuật siêu cao tần”, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp.Hồ Chí Minh, 2008 [5] Vũ Đình Thành, “Mạch siêu cao tần”, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp.Hồ Chí Minh, 2006 [6] Eva Antonio-Daviu, Marta Cabedo-Fabres, Miguel Ferrando-Bataller, Vincent Miquel Rodrigo Pernarrocha, “Modal analysis and Design of band-notched UWB Planar Monopole Antennas”, IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol.58, No.5, pp.1457-1467, May 2010 [7] Ranjit Gharpurey, Peter Kinget, “Ultra wideband circuit, Transceivers and Systems”, Springer, 2008 [8] Kenny Seungwoo Ryu, Ahmed A Kishk, “Ultra wideband Dielectric Resonator Antenna with Broadside Patterns Mounted on a Vertical Ground Plane Edge”, IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol.58, No.4, pp.1047-1053, April 2010 [9] Kazimierz Siwiak, Debra McKeown, “Ultra-wideband radio technology”, John Wiley & sons Ltd, The atrium, Southern Gate, Chilester, England, 2004 [10] Huseyin Arslan, Zhi Ning Chen, Maria-Gabriella Di Benedetto, “Ultra wideband wireless communication”, John Wiley & sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2006 A PHỤ LỤC CÁC THÔNG SỐ CỦA ANTEN S11 VSWR B TRỞ KHÁNG TRƯỜNG BỨC XẠ C 3.1 GHZ 3.85GHZ D 4.6GHz 5.35 GHz E 6.1 GHz 6.85 GHZ F 7.6 GHZ 8.35 GHz G 9.1 GHZ 9.85 GHz H 10.6 GHZ ĐỘ LỢI HIỆU SUẤT -i- LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Đặng Văn Hồng Thơng Ngày, tháng, năm sinh: 17-2-1979 Nơi sinh: Long An Địa liên lạc: 271/10 An Dương Vương, P.3, Q.5, Tp Hồ Chí Minh Q TRÌNH ĐÀO TẠO Từ năm 1997 đến năm 2002: học đại học trường Đại học Bách khoa, Tp.Hồ Chí Minh Từ năm 2009 đến năm 2011: học cao học trường Đại học Bách khoa, Tp.Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ năm 2003 đến nay: công tác Cơ sở 2, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện ... Thiết kế tối ưu anten UWB - 31 4.2 Đo kiểm đánh giá kết thực nghiệm - 42 - KẾT LUẬN - 47 - HƯỚNG PHÁT TRIỂN - 47 - DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO - 48 - PHỤ... vng - 36 Hình 4-3 :Cấu trúc anten thực ? ?tối ưu? ?? - 38 Hình 4-4 : Bản vẽ thiết kế anten kết - 40 Hình 4-5 : Trình tự vẽ anten sau có thiết kế - 41 Hình 4-6 : Mặt trước anten thi... 3.1 -5 -1 0 S11 (dB) -1 5 L2=8 -2 0 L2=9 -2 5 L2=6 -3 0 -3 5 -4 0 -4 5 Đồ thị 4-8 : Đáp ứng anten với L2 Quan sát biểu đồ thu được, ta chọn L2= 8mm cho kết tốt nhất, đáp ứng yêu cầu đặt Sau thực thiết kế,