Thiết kế anten dùng trong công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt

Thiết kế anten dùng trong công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt Thiết kế anten dùng trong công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TrÇn Thế Phương thiết kế anten dùng công nghệ truyền thông vô tuyến băng siêu rộng (UWB) sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt LUN VN THC S KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội – 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN THẾ PHƯƠNG thiÕt kÕ anten dïng c«ng nghƯ trun th«ng v« tuyến băng siêu rộng (UWB) sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt Chuyờn ngnh: K thut Vin thụng LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ VĂN YÊM Hà Nội – 2009 Lời cảm ơn Trc tiờn tụi mun by tỏ lời cảm ơn chân thành tới Thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Văn m định hướng, góp ý quý báu suốt trình thực đồ án Sự hiểu biết sâu rộng lĩnh vực anten, vơ tuyến tận tình Thầy góp phần khơng nhỏ hỗ trợ tơi bước hồn thành nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn tới anh Phạm Đỗ Nhương người giúp đỡ nhiều trình chế tạo mẫu thiết kế Cuối tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới người thân gia đình bạn bè đồng nghiệp động viên, khích lệ, tạo điều kiện cho tơi suốt q trình nghiên cứu Trần Thế Phương TĨM TẮT ĐỒ ÁN Cơng nghệ vơ tuyến băng siêu rộng UWB thu hút ý cộng đồng nghiên cứu, phát triển sản phẩm giới UWB đem lại nhiều hứa hẹn môi trường truyền thông phạm vi cá nhân tốc độ cao Một thách thức kỹ thuật UWB thiết kế anten Khác với anten vô tuyến băng hẹp truyền thống, anten UWB hoạt động dải tần rộng với yêu cầu khắt khe cơng suất xạ độ méo dạng tín hiệu xung Bản đồ án đề xuất mẫu anten UWB dùng kiểu vi dải, dễ dàng chế tạo đặc biệt điều kiện kỹ thuật hạn chế Để nâng cao hiệu hoạt động anten, đồ án đề xuất sử dụng cấu trúc dải chắn điện từ EBG tích hợp thiết kế anten vi dải Đây minh chứng rõ rệt vai trò ứng dụng cấu trúc EBG – chủ đề nghiên cứu sôi giới Different from the traditional antennas for narrow-band wireless systems, an UWB antenna provides new challenges for designers such as how to achieve the very wide impedance bandwidth (7.5 GHz) while still maintain high radiation efficiency and minimize the pulse distortion An Archimedean monofilar microstrip antenna for UWB is presented in this research To have a low-profile, unidirectional radiation antenna, the thesis proposed using EBG substrate as the ground plane for the antenna As we can see, EBG also helps to improve the antenna performance significantly LỜI CAM ĐOAN Bản đồ án tơi nghiên cứu, thực hướng dẫn TS Vũ Văn m Để hồn thành đồ án này, tơi sử dụng tài liệu liệt kê phần tài liệu tham khảo Tôi cam đoan không chép cơng trình, thiết kế tốt nghiệp khác Nếu sai tơi xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Hà Nội, ngày tháng Trần Thế Phương năm 2009 MC LC Lời cảm ơn TÓM TẮT ĐỒ ÁN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU 10 MỞ ĐẦU 11 Chương Hệ thống thông tin vô tuyến băng siêu rộng 13 1.1 Giới thiệu công nghệ UWB 13 1.2 Ưu điểm công nghệ UWB 14 1.3 Thách thức 16 1.4 Tín hiệu hệ thống UWB 18 1.4.2 Kỹ thuật UWB đa sóng mang 19 1.4.2.1 Hướng tiếp cận trải phổ .19 1.4.2.2 UWB đa băng 20 1.4.2.3 UWB đa băng dùng OFDM .20 1.4.3 Dạng sóng xung dùng UWB 21 1.4.4 Các phương pháp điều chế liệu 21 1.4.5 Các phương pháp đa truy nhập .23 1.4.5.1 Kỹ thuật nhảy thời gian 23 1.4.5.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số 24 1.4.5.3 Đa truy nhập xung trực giao 24 1.4.6 Kỹ thuật thu UWB 24 1.4.6.1 Tách lượng 24 1.4.6.2 Bộ thu tương quan 24 1.4.6.3 1.5 Bộ thu Rake .25 Các ứng dụng UWB 25 Chương Anten dùng UWB 26 2.1 Các tham số anten 26 2.2 Yêu cầu kỹ thuật anten UWB 28 2.3 Nền tảng lý thuyết thiết kế anten UWB 32 2.3.1 Phân loại anten UWB .32 2.3.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế anten UWB 32 2.3.2.1 Giới thiệu anten vi dải 32 2.3.2.2 Anten độc lập tần số 38 Chương Cấu trúc EBG ứng dụng thiết kế anten 44 3.1 Giới thiệu EBG 44 3.2 Cơ sở lý thuyết 45 3.2.1 Định lý Bloch đồ thị tán sắc 45 3.2.2 Các phương pháp số học mơ hình hóa cấu trúc EBG 48 3.3 Nghiên cứu cấu trúc EBG chiều 49 3.3.1 Giới thiệu cấu trúc EBG 49 3.3.2 Các mơ hình lý thuyết nghiên cứu cấu trúc EBG hình nấm 50 3.3.3 Đặc tính cấu trúc EBG hình nấm .53 3.3.4 Phân tích cấu trúc EBG hình nấm máy tính 59 3.4 Ứng dụng EBG thiết kế anten 66 3.4.1 Ứng dụng đặc tính pha phản xạ 67 3.4.2 Ứng dụng tính chất triệt sóng mặt 69 3.4.3 Ứng dụng EBG thiết kế anten vi dải .71 Chương Thiết kế, mô phỏng, chế tạo anten UWB 72 4.1 Thiết kế anten UWB 72 4.2 Thiết kế cấu trúc EBG .75 4.3 Chế tạo thử nghiệm 81 KẾT LUẬN CHUNG 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADC Analog Digital Converter AMC Artificial Magnetic Conductor Balun Balanced to Unbalanced DS – CDMA Direct Sequence Code Division Multiplex Access EBG Electromagnetic Band Gap EMC Electromagnetic Compatibility EMI Electromagnetic Interference FB Fractional Bandwidth FDM Frequency Division Multiplexing FDTD Finite Difference Time Domain FSS Frequency Selective Surface ISI Intersymbol Interference MAI Multi Acess Interference MIMO Multiple Input Multiple Output OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OOK On – Off Keying PAM Pulse Amplitude Modulation PBG Photonic Band Gap PEC Pecfect Electric Conductor PG Processing Gain PMC Perfect Magnetic Conductor PPM Pulse Position Modulation PSM Pulse Shape Modulation PWE Plane Wave Expansion TH – IR Time – Hopping Impulse Radio TH – PPM Time Hopping Pulse Position Modulation TMM Transmission Matrix Method UWB Ultra – Wideband DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 UWB tồn hệ thống thông tin băng hẹp khác 16 Hình 1.2 Sơ đồ khối máy thu phát UWB dạng xung dùng kỹ thuật TH-PPM [8] 17 Hình 1.3 Các kỹ thuật trải phổ đa sóng mang dùng UWB [8] 19 Hình 1.4 Phân bổ băng tần theo đề xuất MBOA [8] 21 Hình 1.5 Dạng sóng miền thời gian xung Gaussian biến thể .22 Hình 1.6 Phổ xung miền tần số 22 Hình 1.7 Sơ đồ khối máy thu dùng kỹ thuật tách lượng 24 Hình 1.8 Bộ thu tương quan 25 Hình 2.1 Trở kháng vào anten 26 Hình 2.2 Minh họa hệ thống anten phát thu 29 Hình 2.3 Minh họa biến đổi dạng sóng xung theo hướng xạ 31 Hình 2.4 Cấu trúc anten vi dải kiểu phiến .33 Hình 2.5 Tiếp điện kiểu đầu dò đồng trục .34 Hình 2.6 Tiếp điện dùng đường vi dải 34 Hình 2.7 Tiếp điện kiểu ghép nối điện từ 35 Hình 2.8 Tiếp điện kiểu ghép nối qua khe 36 Hình 2.9 Tiếp điện dẫn sóng đồng phẳng 36 Hình 2.10 Các mạng biến đổi trở kháng thực tế 37 Hình 2.11 Minh họa lý thuyết vòng xạ 40 Hình 2.12 Anten xoắn ốc mặt theo nguyên lý tự bù 41 Hình 2.13 Minh họa anten Archimedean cánh tự bù .42 Hình 3.1 Minh họa cấu trúc EBG 3D, 2D (từ trái qua) 45 Hình 3.2 Cấu trúc EBG cấu trúc đơn vị .46 Hình 3.3 Một cấu trúc tuần hoàn chiều miền Brillouni 48 Hình 3.4 Cấu trúc EBG hình nấm .49 Hình 3.5 EBG mơ hình tương đương LC .50 Hình 3.6 Mơ hình đường truyền cho trường hợp sóng mặt 51 Hình 3.7 Mơ hình đường truyền áp dụng cho sóng phẳng 52 Hình 3.8 Phiến kim loại để tính trở kháng sóng mặt 54 Hình 3.9 Sự lan truyền sóng mặt phần giao hai vật liệu khơng đồng 54 Hình 3.10 Đồ thị tán sắc rút từ mơ hình LC [12] 56 Hình 3.11 Minh họa đồ thị pha phản xạ EBG [12] 59 Hình 3.12 Một unit cell .60 Hình 3.13 Mơ hình mơ tham số tán xạ 61 Hình 3.14 Tham số tán xạ S21(ω) cấu trúc EBG .61 Hình 3.15 Sự phụ thuộc dải chắn vào W [20] 62 Hình 3.16 Sự phụ thuộc dải chắn vào r [21] .62 Hình 3.17 Mơ hình mơ đồ thị tán sắc EBG 63 Hình 3.18 Đồ thị tán sắc cấu trúc EBG .64 Hình 3.19 Minh họa pha phản xạ cấu trúc EBG hình nấm (3.37) 64 Hình 3.20 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào W .65 Hình 3.21 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào g 65 Hình 3.22 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào h 66 Hình 3.23 Sự phụ thuộc pha phản xạ vào số điện mơi .67 Hình 3.24 Lưỡng cực điện đặt gần PEC/PMC EBG 68 Hình 3.25 Tham số s11 trường hợp PEC, PMC, EBG [11] 68 Hình 3.26 Dải tần hiệu lưỡng cực pha phản xạ EBG [11] .69 Hình 3.27 Đồ thị xạ lưỡng cực khi: b đặt mặt phẳng đất 70 c đặt EBG tần số dải chắn – d tần số dải chắn [12] 70 Hình 4.1 Minh họa đường xoắn ốc vi dải Archimedean 73 Hình 4.2 Minh họa mơ hình anten phần mềm mơ 74 Hình 4.3 Kết s11 trường hợp có đất 75 Hình 4.5 Mơ hình mơ anten có tích hợp EBG .76 Hình 4.6 Pha phản xạ cấu trúc EBG 77 Hình 4.7 S11 có EBG 77 Hình 4.8 Đồ thị phương hướng xạ mặt phẳng XZ 78 Hình 4.9 Đồ thị phương hướng xạ mặt phẳng YZ 78 Hình 4.10 Đồ thị S21 cấu trúc EBG khơng có vias 79 ... - TRẦN THẾ PHƯƠNG thiÕt kÕ anten dïng c«ng nghƯ trun thông vô tuyến băng siêu rộng (UWB) sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt Chuyờn ngnh: K thut Viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN... 69 3.4.3 Ứng dụng EBG thiết kế anten vi dải .71 Chương Thiết kế, mô phỏng, chế tạo anten UWB 72 4.1 Thiết kế anten UWB 72 4.2 Thiết kế cấu trúc EBG .75 4.3 Chế... lưu tâm thiết kế anten UWB kích thước anten UWB chủ yếu hướng đến ứng dụng WPAN Anten cần thiết kế nhỏ gọn để dễ tích hợp thiết bị điện tử cầm tay Phần trình bày yêu cầu thiết kế anten UWB mặt