Thiết kế mô phỏng anten uwb mimo bốn cổng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN UWB MIMO BỐN CỔNG Sinh viên thực : TRẦN TRUNG HÀO Lớp : 52K - ĐTTT Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA NGHỆ AN 5/2016 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i TÓM TẮT ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ANTEN 1.1 Lý thuyết chung anten 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Các tham số anten 1.2 Đƣờng truyền vi dải anten vi dải 14 1.2.1 Đƣờng truyền vi dải 14 1.2.2 Anten vi dải 15 1.2.2.1 Giới thiệu chung 15 1.2.2.2 Một số loại anten vi dải 16 CHƢƠNG LÝ THUYẾT VỀ ANTEN MIMO VÀ CÔNG NGHỆ UWB 18 A ANTEN MIMO 18 2.1 Lịch sử đời 18 2.2 Khái niệm 18 2.3 Cấu trúc hệ thống anten MIMO 19 2.4 Ƣu điểm nhƣợc điểm hệ thống MIMO 20 2.5 Các loại máy thu sử dụng 21 2.6 Hệ thống MIMO lựa chọn anten 23 2.6.1 Giới thiệu 23 2.6.2 Mô tả hệ thống 24 2.7 Hệ thống MIMO sử dụng SVD 26 2.8 Dung lƣợng kênh MIMO với lựa chọn anten 26 2.9 Dung lƣợng kênh truyền MIMO 27 B CÔNG NGHỆ UWB 29 2.10 Giới thiệu 29 2.11 Tổng quan ứng dụng công nghệ UWB 30 2.11.1 Định nghĩa quy định 30 2.11.2 Các tiêu chuẩn UWB 31 2.11.3 Những ứng dụng công nghệ UWB 32 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 35 3.1 Giới thiệu 35 3.2 Thiết kế anten 35 3.3 Kết mô 37 3.3.1 Tần số cộng hƣởng anten 38 3.3.2 Trở kháng vào 38 3.3.3 Tỷ số sóng đứng điện áp 39 3.3.4 Độ lợi 39 3.3.5 Đồ thị PeakRealizedGain 40 3.3.6 Đồ thị PeakGain 40 3.3.7 Đồ thị RadiationEfficiency 41 3.3.8 Đồ thị hệ số tƣơng quan (ECC) 41 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, nhu cầu ứng dụng băng rộng mạng truyền thông không dây gia tăng mạnh mẽ Các hệ thống thông tin tƣơng lai yêu cầu phải có dung lƣợng cao hơn, tin cậy hơn, tốc độ liệu cao hơn, sử dụng băng thông hiệu hơn, khả kháng nhiễu cao chất lƣợng tốt hơn, băng thông cho phép lại không đƣợc mở rộng Mạng WBAN, WPAN đứng trƣớc thách thức Yêu cầu thúc đẩy nghiên cứu hệ thống UWB MIMO (Multiple-Input MultipleOutput) sử dụng nhiều anten phía đầu phát đầu thu Những nghiên cứu gần cho thấy UWB MIMO tăng tốc độ liệu, băng thơng siêu rộng, tăng phạm vi phủ sóng mà khơng cần tăng công suất hay băng thông hệ thống Đề tài tập trung thiết kế khảo sát anten UWB MIMO cổng siêu nhỏ hoạt động băng tần siêu rộng từ 3.1-10.6 GHz Đồng thời sử dụng phần mềm Ansoft HFSS để thiết kế mô Nội dung đồ án gồm ba chƣơng Chƣơng trình bày lý thuyết anten, nêu loại anten thông số anten anten vi dải Chƣơng trình bày khái niệm, lịch sử đời, cấu trúc hệ thống anten MIMO, ƣu nhƣợc điểm anten MIMO Trình bày cơng nghệ siêu băng rộng UWB Chƣơng trình bày thiết kế mô anten UWB MIMO cổng siêu nhỏ sử dụng phần mềm HFSS Kết luận kết thu đƣợc hƣớng phát triển đề tài i TÓM TẮT Đồ án nghiên cứu thiết kế mô anten MIMO bốn cổng băng thông siêu rộng (UWB) hoạt động dải tần 3.1-10.6 GHz sử dụng phần mềm HFSS Anten đƣợc thiết kế chất FR4 với số điện môi 4.4, bề dày 1.6mm đƣợc cấp nguồn đƣờng truyền vi dải Kết mô cho thấy dải tần hoạt động anten UWB MIMO 3,1-10.6 GHz với hệ số suy hao nhỏ -12.5 dB toàn dải tần Hiệu suất xạ anten 85% Hệ số tƣơng quan( ECC) thu đƣợc 0.000035 Kết mô cho thấy anten UWB MIMO sử dụng thiết bị không dây ABSTRACT The thesis studied about design and simulation of port UWB MIMO antenna that covers the wide frequency from 3.1-10.6 GHz by HFSS software The design used FR4 as substrate that has 4.4 as permitty, 1.6mm as height and fed by microstrip The obtained result show that the operated bandwith is from 3.1-10.6 GHz; attenuation coeffiency is smaller than -12.5 dB in whole the bandwidth; radiation ratio is better than 85%, envelope correlation coefficient is 0.000035 These parameters show that this design can be applied in wireless devices ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT THUẬT NGỮ TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT CCL Channel Capacity Loss Dung lƣợng kênh CCW Counter Cloc Kwise Phân cực trái CW Cloc Kwise Phân cực phải ECC Envelope Correlation Coefficient Hệ số tƣơng quan ISI Inter Symbol Interference Nhiều liên kí tự MAC Multiple Access Control Điều khiển đa truy nhập MBOFDM Multi Band Orthogonal Frequency Division Modulation Sóng mang trực giao đa tần số MIMO Multiple-Input Multiple-Output Đa đầu phát đa đầu thu MPA Microstrip Patch Antenna Anten mặt xạ vi dải RDAR RAdio Detection And Ranging Thiết bị dị tìm thiết bị sóng vơ tuyến RL Loss Resistance Trở kháng mát RR Radiation Resistance Trở kháng xạ SISO Single Input Single Output Phân tập không gian SM Spatial Multiplexing Đa hợp không gian STBC Space-Time Block Code Giải mã khối không gian STE SpaceTime Encoder Mã hóa khơng gian thời gian STTC SpaceTime Trellis Code Giải mã mạng lƣới SWR Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng UWB Ultra Wide Band Băng thơng siêu rộng V-BLLST Vertical-Bell Laboratories Thuật toán V-BLLST Layered Space-Time WBAN Wireless Body Area Network Mạng thể ngƣời WPAN Wireless Persoal Area Network Mạng phạm vi cá nhân khơng giây iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình ảnh thực tế anten Hình 1.2 Hệ thống tọa độ để phân tích anten Hình 1.3 Giản đồ xạ anten Hình 1.4 Các búp song anten xạ hƣớng tính Hình 1.5 Sự quay sóng điện từ phẳng phân cực elip hàm theo thời gian 11 Hình 1.6 Cấu trúc đƣờng truyền vi dải 14 Hình 1.7 Giản đồ trƣờng đƣờng vi dải 15 Hình 1.8 Cấu trúc anten vi dải đơn giản 16 Hình 1.9 Các hình dạng anten patch vi dải thƣờng đƣợc sử dụng thực tế 17 Hình 2.1 Mơ hình hệ thống MIMO điển hình 19 Hình 2.2 Hệ thống MIMO lựa chọn anten 24 Hình 2.3 Biểu diễn dung lƣợng kênh MIMO theo r = min(M,N) 28 Hình 2.4 Sơ đồ mã lƣới 28 Hình 2.5 Mơ tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = n = 29 Hình 3.1 Cấu trúc tổng quát anten 35 Hình 3.2 Hình ảnh thiết kế anten UWB MIMO 37 Hình 3.3 Hình ảnh anten thiết kế 37 Hình 3.4 Đồ thị tần số cộng hƣởng anten 37 Hình 3.5 Đồ thị smith anten 38 Hình 3.6 Đồ thị hệ số sóng đứng VSWR 38 Hình 3.7 Độ lợi anten 38 Hình 3.8 Đồ thị PeakRealizedGain 39 Hình 3.9 Đồ thị PeakGain 39 Hình 3.10 Đồ thị RadiationEfficiency 39 Hình 3.11 Đồ thị hệ số tƣơng quan 40 iv CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ANTEN Trong chƣơng trình bày lý thuyết anten, nêu loại anten thông số anten anten vi dải 1.1 Lý thuyết chung anten 1.1.1 Giới thiệu Anten linh kiện điện tử xạ thu nhận sóng điện từ Có nhiều loại anten: anten lƣỡng cực, anten mảng Trong hệ thống thông tin vơ tuyến, anten có hai chức Chức để xạ tín hiệu RF từ máy phát dƣới dạng sóng vơ tuyến để chuyển đổi sóng vơ tuyến thành tín hiệu RF để xử lý máy thu Chức khác anten để hƣớng lƣợng xạ theo hay nhiều hƣớng mong muốn, "cảm nhận" tín hiệu thu từ hay nhiều hƣớng mong muốn hƣớng cịn lại thƣờng bị khóa lại Về mặt đặc trƣng hƣớng anten có nghĩa nén lại phát xạ theo hƣớng không mong muốn loại bỏ thu từ hƣớng không mong muốn Các đặc trƣng hƣớng anten tảng để hiểu anten đƣợc sử dụng nhƣ hệ thống thông tin vô tuyến Các đặc trƣng có liên hệ với bao gồm tăng ích, tính định hƣớng, mẫu xạ (anten) phân cực Các đặc trƣng khác nhƣ búp sóng, độ dài hiệu dụng, góc mở hiệu dụng đƣợc suy từ bốn đặc trƣng Trở kháng đầu cuối (đầu vào) đặc trƣng khác quan trọng Nó cho ta biết trở kháng anten để kết hợp cách hiệu công suất đầu máy phát với anten để kết hợp cách hiệu công suất từ anten vào máy thu Tất đặc trƣng anten hàm tần số Anten lĩnh vực sôi động Công nghệ anten phần thiếu giải pháp truyền thông Nhiều cải tiến đƣợc đƣa thời gian cách 50 năm sử dụng ngày nay, nhiên kết thay đổi đƣợc đƣa ngày nay, đặc biệt nhu cầu hiệu suất hệ thống ngày lớn Hình 1.1 Hình ảnh thực tế anten 1.1.2 Các tham số anten Phần trình bày số khái niệm quan hệ anten nhƣ xạ sóng, trƣờng xạ giản đồ trƣờng xạ, phân cực sóng xạ, độ định hƣớng, tần số cộng hƣởng, trở kháng, băng thơng, tăng ích,… 1.1.2.1 Sự xạ sóng điện từ anten Khi lƣợng từ nguồn đƣợc truyền tới anten, trƣờng đƣợc tạo Một trƣờng trƣờng cảm ứng (trƣờng khu gần), trƣờng ràng buộc với anten, trƣờng trƣờng xạ (trƣờng khu xa) Ngay anten (trong trƣờng gần), cƣờng độ trƣờng lớn tỉ lệ tuyến tính với lƣợng lƣợng đƣợc cấp tới anten Tại khu xa, có trƣờng xạ đƣợc trì Trƣờng khu xa gồm thành phần điện trƣờng từ trƣờng Cả hai thành phần điện trƣờng từ trƣờng xạ từ anten hình thành trƣờng điện từ Trƣờng điện từ truyền nhận lƣợng điện từ thông qua không gian tự Sóng vơ tuyến trƣờng điện từ di chuyển Trƣờng khu xa sóng phẳng Khi sóng truyền đi, lƣợng mà sóng mang theo trải diện tích ngày lớn Điều làm cho lƣợng diện tích cho trƣớc giảm khoảng cách từ điểm khảo sát tới nguồn tăng 1.1.2.2 Giản đồ xạ Các tín hiệu vơ tuyến xạ anten hình thành trƣờng điện từ với giản đồ xác định, phụ thuộc vào loại anten đƣợc sử dụng Giản đồ xạ thể đặc tính định hƣớng anten Hình 1.2 Hệ thống tọa độ để phân tích anten [1] Giản đồ xạ anten đƣợc định nghĩa nhƣ “là hàm toán học hay thể đồ họa đặc tính xạ anten, hàm tọa độ không gian” Trong hầu hết trƣờng hợp, giản đồ xạ đƣợc xét trƣờng xa Đặc tính xạ phân bố lƣợng xạ không gian chiều hay chiều, phân bố hàm vị trí quan sát dọc theo đƣờng hay bề mặt có bán kính khơng đổi Hệ tọa độ thƣờng đƣợc sử dụng để thể trƣờng xạ hình 1.2 1.1.2.3 Giản đồ đẳng hƣớng hƣớng tính Anten đẳng hƣớng anten giả định, xạ theo tất hƣớng Mặc dù lý tƣởng khơng thể thực đƣợc mặt vật lý, nhƣng ngƣời ta thƣờng sử dụng nhƣ tham chiếu để thể đặc tính hƣớng tính anten thực Anten hƣớng tính “anten có đặc tính xạ hay thu nhận sóng điện từ mạnh theo vài hƣớng hƣớng cịn lại Một ví dụ anten với giản đồ xạ hƣớng tính đƣợc thể hình 1.3(a) Ta nhận thấy giản đồ khơng hƣớng tính mặt phẳng chứa vector H với [ f (ф),θ = π / ] hƣớng tính mặt phẳng chứa vector E với [g(θ ), ф = const] (a) (b) Hình 1.3 Giản đồ xạ anten [1] Mặt phẳng E đƣợc định nghĩa “mặt phẳng chứa vector điện trƣờng hƣớng xạ cực đại”, mặt phẳng H đƣợc định nghĩa “mặt phẳng chứa vector từ trƣờng hƣớng xạ cực đại” Trong thực tế ta thƣờng chọn hƣớng anten để mặt phẳng E hay mặt phẳng H trùng với mặt phẳng tọa độ (mặt phẳng x hay y hay z) 1 bit 2 bit Hình 2.5 Mơ tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = n = B CÔNG NGHỆ UWB 2.10 Giới thiệu Có nhiều lý khiến cho cơng nghệ UWB ngày đƣợc trọng phát triển Thứ khan tần số, hầu hết dải tần số đƣợc cấp phát cho hệ thống quân dân sự, muốn sử dụng dải tần số cần phải có đồng ý cấp phép quan quản lý tần số Nhƣng với UWB, dải tần hồn tồn miễn phí, có nhiều nƣớc tổ chức chuẩn hóa có quy định cụ thể việc sử dụng UWB Thứ hai, với gia tăng mạnh mẽ thiết bị kỹ thuật số thiết bị di dộng thông minh nhƣ nay, việc cần phải có tiêu chuẩn giao tiếp vô tuyến thiết bị cần thiết Cơng nghệ UWB hồn tồn làm đƣợc điều với băng thơng cực rộng, cơng suất thu phát nhỏ thích hợp cho việc truyền số liệu với tốc độ cao thiết bị phạm vi hẹp nhƣ TV, DVD player, máy tính xách tay, điện thoại thơng minh Trong tƣơng lai thiết bị gia đình giao tiếp với mà không cần dây dẫn Thứ ba, với đặc điểm UWB công suất phát thấp, cấu trúc máy thu phát đơn giản sử dụng xung hẹp để truyền thông mà không cần điều chế sóng mang khác, cơng nghệ UWB cho phép chế tạo thiết bị đầu cuối nhỏ gọn, giá thành rẻ, tiêu hao lƣợng gần nhƣ không bị tác động nhiễu đa đƣờng nhiễu liên ký tự (ISI) Điều phù hợp với ứng dụng mạng phạm vi cá nhân không dây (WPAN) mạng cảm biến không dây (WSN), radar, hệ thống định vị giám sát môi trƣờng nhà 29 Mặc dù đƣợc coi công nghệ „mới‟ nhƣng công nghệ UWB không dựa vào khám phá vật lý mẻ Những thí nghiệm sử dụng xung điện từ hẹp vào truyền tin đƣợc Hertz (1893) Marconi (1901) thực hiện, nhiên thời điểm ngƣời ta chƣa làm chủ đƣợc băng tần, cơng nghệ nhanh chóng đƣợc thay công nghệ truyền tin dựa vào sóng mang Cho đến năm 1960-1970 UWB lại nhận đƣợc quan tâm Bộ Quốc phòng Mỹ tập trung nghiên cứu UWB cho ứng dụng radar truyền thông Sau năm 1990 sản phẩm thƣơng mại công nghệ UWB bắt đầu xuất Kể từ năm 2002 đến sau đƣợc Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kỳ thừa nhận quy định, công nghệ UWB nhận đƣợc quan tâm nghiên cứu rộng rãi giới 2.11 Tổng quan ứng dụng công nghệ UWB 2.11.1 Định nghĩa quy định Theo định nghĩa đƣợc đƣa Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kỳ (FCC) thiết bị UWB thiết bị có tỷ số độ rộng băng tần đo điểm -10dB lớn 20% có độ rộng băng tần tuyệt đối 500MHz Nếu gọi fH tần số lớn nhất, fL tần số bé fC tần số trung tâm dải phổ UWB tỷ số độ rộng băng tần : FB = 20 (2.6) Đối với hệ thống có tần số trung tâm lớn 2.5GHz phải có độ rộng băng tần tuyệt đối lớn 500MHz, hệ thống có tần số trung tâm nhỏ 2.5GHz tỷ số độ rộng băng tần phải lớn 20% Một cách định nghĩa khác thƣờng đƣợc chấp nhận rộng rãi UWB sóng điện từ có tần số từ 3.1GHz đến 10.6GHz độ rồng băng tần 7.5GHz Do có độ rộng băng tần cực lớn nên tín hiệu UWB xung hẹp (theo biến đổi Fourier, tín hiệu hẹp miền thời gian có phổ rộng miền tần số) Thơng thƣờng phía phát thƣờng phát xung có chu kỳ làm việc ngắn, nghĩa độ rộng xung nhỏ so với chu kỳ xung, hệ thống truyền thông UWB nhƣ đƣợc gọi hệ thống truyền xung vơ tuyến (UWB : IRUWB) Do có cơng suất phát nhỏ, độ rộng băng tần lớn nên tín hiệu UWB đƣợc coi 30 gần nhƣ nhiễu trắng theo biến đổi Fourier, tín hiệu thoải miền thời gian phổ đứng miền tần số Do xung Gaussian (hoặc đạo hàm xung Gaussian) thƣờng đƣợc chọn xung phát hệ thống UWB Thực tế, xung đạo hàm bậc bậc xung Gaussian, độ rộng xung dƣới 1ns thƣờng đƣợc sử dụng hệ thống UWB Một dạng xung UWB phổ 2.11.2 Các tiêu chuẩn UWB Trên quan điểm hệ thống, hầu hết hệ thống thông tin đại ngày cung cấp dịch vụ tƣơng đối đồng (nhƣ IP, liệu, thoại, video,…), điểm phân biệt hệ thống hay công nghệ với công nghệ khác hạ tầng mạng hay nói cách khác theo mơ hình tham chiếu OSI hệ thống thơng tin đƣợc phân biệt với dựa khác lớp vật lý (PHY) lớp điều khiển đa truy nhập (MAC) Chính sau đƣợc FCC thừa nhận tổ chức chuẩn hóa giới tích cực chuẩn hóa UWB lớp MAC PHY Viện kỹ sƣ điện điện tử (IEEE) có nỗ lực nhằm chuẩn hóa UWB cho lớp vật lý tiêu chuẩn IEEE 802.15 WPAN IEEE thành lập hai nhóm làm việc 802.15.3a 802.15.4a tƣơng ứng cho việc chuẩn hóa mạng IEEE 802.15.3 WPAN tốc độ cao IEEE WPAN 802.15.4a tốc độ thấp Nhóm làm việc IEEE 802.15.3a (TG3a) đánh giá nhiều đề nghị chuẩn hóa lớp PHY cơng ty cuối đến hai đề nghị Đề nghị thứ dựa điều chế đa sóng mang trực giao đa băng tần (MB-OFDM UWB) đƣợc đƣa WiMedia Alliance Đề nghị lại dựa chuỗi nhảy tần trực tiếp đƣợc đƣa UWB Forum Nhƣng kết cuối lại thống đƣợc nhóm làm việc đƣợc giải thể vào năm 2006 Dù nhóm làm việc bị giải thể nhƣng sản phẩm tuân theo MB-OFDM UWB DS-UWB đƣợc sản xuất tung thị trƣờng Sau nhóm IEEE 802.15.3a giải thể liên WiMedia Alliance đƣợc Ecma International chứng nhận cho tiêu chuẩn WPAN họ dựa MB-OFDM UWB Bên cạnh ứng dụng cho mạng WPAN tốc độ cao, UWB đƣợc xem thích hợp với mạng WPAN tốc độ thấp tập trung vào thiết bị đơn giản, tiêu thụ công suất thấp Năm 2004 IEEE thành lập nhóm làm việc IEEE 802.15.4a (TG4a) nhằm 31 chuẩn hóa UWB cho lớp PHY chuẩn IEEE 802.115.4 Chuẩn IEEE 802.15.4a cung cấp khả định vị, đo lƣờng với độ xác cao, thơng lƣợng tổng hợp lớn công suất tiêu thụ thấp Phần giới thiệu sơ lƣợc chuẩn Ecma International IEEE 802.15.4a 2.11.3 Những ứng dụng công nghệ UWB Nhƣ đề cập, UWB có đặc điểm khác biệt với hệ thống thông tin truyền thống nhƣ có băng thơng lớn, truyền thơng sử dụng xung hẹp, công suất phát nhỏ, hoạt động với hệ thống khác mà không gây can nhiễu,…UWB thích hợp với hệ thống thơng tin dân dụng yêu cầu thiết bị nhỏ gọn, công suất tiêu thụ nhỏ dễ dàng triển khai Trong phần đề cập đến ứng dụng tiềm UWB ba lĩnh vực truyền thông, radar đo lƣờng định vị 2.11.3.1 Mạng truyền thông tốc độ thấp Giải pháp truyền dẫn cho mạng truyền thông vô tuyến tốc độ thấp, phạm vi hẹp thƣờng hồng ngoại sóng siêu âm sóng Bluetooth Những giải pháp thƣờng gặp phải vấn đề nhƣ bị suy giảm, fading shadowing, không truyền xuyên qua đƣợc chƣớng ngại vật (nhƣ tƣờng, bàn ghế,…) gây can nhiễu lẫn UWB với công suất phát thấp, dải tần số hoạt động rộng sử dụng phƣơng pháp điều chế xung hợp lý khắc phục đƣợc nhƣợc điểm Trong tƣơng lai gần, UWB đƣợc sử dụng để kết nối thiết bị ngoại vi máy tính nhƣ bàn phím, chuột, máy in, joystick,…cho phép thiết bị hoạt động đồng thời phạm vi mà không gây ảnh hƣởng lẫn UWB kênh truyền dẫn mạng cảm biến không dây (WSN) mạng vô tuyến phạm vi trên/trong thể ngƣời (WBAN) Đặc điểm mạng cảm biến, thu thập thông tin môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió,…(WSN) thơng tin y tế nhƣ tín hiệu điện tâm đồ (ECG), nồng độ oxy máu, huyết áp,…(WBAN), yêu cầu thiết bị đầu cuối phải nhỏ, gọn, tiêu thụ lƣợng thấp có thời gian sử dụng lâu dài, dễ triển khai, lắp đặt Do UWB có cơng suất phát xạ thấp, cấu trúc thu phát đơn giản khơng dùng sóng mang nên thích hợp với ứng dụng 32 2.11.3.2 Mạng truyền thông tốc độ cao Nhu cầu truyền dẫn tốc độ cao, phạm vi hẹp nhu cầu ngày bùng nổ Để truyền tải liệu đa phƣơng tiện có tốc độ cao nhƣ audio, video có độ phân dải cao (HD), HDTV, Internet tốc độ cao,…cần phải có băng thơng cực lớn (hơn 1Gbps) UWB hồn tồn phù hợp với ứng dụng băng tần mà cung cấp siêu rộng Khi sử dụng UWB, thiết bị giải trí gia đình nhƣ TV, video, audio player, PC, Projector… kết nối với mà không cần dùng dây cáp rƣờm rà Hơn thiết bị cầm tay nhƣ laptop, PDA, smartphone kết nối chia sẻ liệu tốc độ cao với với thiết bị điện tử khác cách dễ dàng nhanh chóng UWB mở kỷ ngun “hồn tồn khơng dây” ngơi nhà bạn tƣơng lai không xa 2.11.3.3 Radar Radar thiết bị dị tìm phát mục tiêu sóng vơ tuyến đƣợc sử dụng từ lâu chủ yếu quân Với radar truyền thống có cơng suất phát lớn, kích thƣớc thiết bị lớn, già thành cao tầm hoạt động rộng nên khơng phù hợp với mục đích dân dụng Những ứng dụng dân dụng radar thƣờng gặp phát theo dõi mục tiêu môi trƣờng nhà, tránh va chạm xe cộ tham gia giao thơng điều kiện tầm nhìn bị hạn chế nhằm chuẩn đốn hình ảnh y tế Với ƣu điểm vốn có mình, UWB radar cung cấp khả phân giải hai mục tiêu lớn giúp cho việc phát xác mục tiêu mục tiêu nhỏ gần Tín hiệu UWB có khả xuyên qua chƣớng ngại vật dẫn điện nhƣ tƣờng gạch, bê tông, gỗ, đất,…điều làm cho UWB có khả “nhìn xun tƣờng”, ứng dụng có ích trƣờng hợp giải cứu hộ cứu nạn (ngƣời bị chôn vùi lòng đất sau động đất, lũ lụt chẳng hạn), cơng trấn áp tội phạm, rà phá bom mìn Mặt khác công suất phát nhỏ, cấu trúc thu phát đơn giản ƣu điểm nhằm giảm giá thành kích thƣớc thiết bị 2.11.3.4 Định vị đo lƣờng Việc định vị đo lƣờng vị trí ngƣời sử dụng cần thiết trƣờng hợp cứu nạn khẩn cấp giám sát an ninh Đối với định vị, đo lƣờng 33 trời, thƣờng dựa vào thệ thống định vị toàn cầu (GPS), nhiên với ứng dụng nhà hệ thống định vị tồn cầu khơng tin cậy cho sai số lớn Ví dụ, triển khai mạng cảm biến không dây nhằm giám sát môi trƣờng khu rừng, nhà máy, hay tòa nhà, chức định vị cho biết vị trí có thay đổi đột ngột mơi trƣờng (nhƣ hỏa hoạn, nồng độ chất độc vƣợt mức quy định,…) Bên cạnh cơng nghệ có UWB cơng nghệ hứa hẹn có độ phân giải cao nên cho phép định vị với độ xác lớn (cỡ mm), lý khác sử dụng xung hẹp nên tín hiệu UWB hầu nhƣ khơng bị can nhiễu (ISI), fading, shadowing 34 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Trong chƣơng trình bày mơ khảo sát anten UWB MIMO cổng siêu nhỏ Anten có kích thƣớc đƣợc đề xuất tài liệu số [10], anten đƣợc thiết kế chất FR4 với số điện môi 4.4, bề dày lớp điện môi 1.6mm, bề dày mặt xạ lớp đất 0.02mm 3.1 Giới thiệu Đối với hệ thống truyền thông không dây, anten thành phần quan trọng Một thiết kế anten yêu cầu đạt chất lƣợng cao, cải thiện hiệu suất hệ thống tổng thể Anten vi dải đƣợc triển khai rộng rãi nhiều ứng dụng tính hấp dẫn chúng nhƣ kích thƣớc nhỏ, trọng lƣợng nhẹ, chi phí thấp, hiệu cao, đơn giản sản xuất tích hợp dễ dàng với loại vi mạch Mà để chế tạo anten MIMO cơng nghệ đƣợc sử dụng phổ biến anten vi dải Vì vậy, anten MIMO bao gồm đầy đủ ƣu điểm Ngoài ra, anten MIMO giúp cải thiện dung lƣợng hệ thống giảm fading đầu thu Hơn nữa, với gia tăng mạnh mẽ truyền thông không dây vài thập kỷ qua dẫn đến cần thiết anten băng thơng lớn giảm nhỏ kích thƣớc cho ứng dụng thƣơng mại qn sự, cơng nghệ UWB đƣợc quan tâm Ở đây, anten MIMO cổng siêu nhỏ đƣợc thiết kế cho dải tần siêu rộng 3.1-10.6 GHz 3.2 Thiết kế anten (a) (b) Hình 3.1 Cấu trúc tổng quát anten 35 Hình 3.1 (b) cho thấy nhỏ gọn anten UWB MIMO đƣợc đề xuất Các anten đƣợc đề xuất chế tạo với chi phí thấp, sử dụng FR4 có số điện môi 4.4, độ dày 1.6 mm độ dày mặt xạ 0.02 A Antenn đơn UWB (SA) Anten UWB tạo dải tần từ 3.1-12 GHz để hệ suy hao anten nhỏ -9.5 dB tồn dải tần hoạt động tiến hành khắc mặt đất Chúng ta khắc khe mặt đất nhằm tạo trình chuyển đổi từ chế độ cộng hƣởng sang chế độ cộng hƣởng khác Để phù hợp với tần số cộng hƣởng, chiều rộng đƣờng truyền vi dải giảm trình chuyển đổi đƣờng cấp nguồn sang mặt xạ anten (đƣờng truyền cấp nguồn mặt xạ anten) Ở đây, khe nhƣ yếu tố cộng hƣởng, tần số cộng hƣởng chủ yếu đƣợc điều chỉnh chiều dài khe Chiều dài khe phần tƣ bƣớc sóng dài, tƣơng ứng với dải tần số cộng hƣởng Các anten UWB có nhiều ƣu điểm nhƣ băng thơng rộng, kích thƣớc nhỏ gọn, tính xạ định hƣớng cao Các thiết kế anten đơn UWB đƣợc hiển thị hình 3.1 (a) Anten UWB SA có băng thơng rộng 3.1-10.6 GHz Các thông số thiết kế UWB SA UWB MIMO nhƣ sau: LSA = 21mm, WSA = 8mm, Lf1 = 8mm, Lf2 = 9mm, Wf = 2mm, Wf1 = 1.2 mm, L1 = 4.6 mm, W1 = 2.3 mm, L2 = 0.8 mm, W2 = 2.3 mm, L3 = 3.2 mm, W3 = 1.6 mm, L4 = 0.6 mm, W4 = 1.4 mm, L5 = 3mm, d1 = 4.8 mm, d = mm B Anten UWB MIMO cổng Từ việc mô thành công aten đơn UWB tiến hành ghép anten đơn UWB lại với để tạo thành anten MIMO đây, ghép anten đơn lại với để tạo thành anten UWB MIMO cổng Anten đƣợc thiết kế với điểm cấp nguồn riêng Anten UWB MIMO đƣợc thể hiển hình 3.2 36 Hình 3.2 Hình ảnh thiết kế anten UWB MIMO C Ảnh hƣởng Ant_1 Ant_2 Sự ảnh hƣởng lẫn Ant_1 Ant_2 chủ yếu khoảng cách chúng Ở đây, khoảng cách 11.2 mm đƣợc chọn tham số thiết kế tối ƣu a Mặt đất anten UWB MIMO b Mặt anten UWB MIMO Hình 3.3 Hình ảnh anten thiết kế 3.3 Kết mô Các kết anten UWBMIMO cổng siêu nhỏ đƣợc mô phần mềm HFSS 37 3.3.1 Tần số cộng hƣởng anten Hình 3.4 Đồ thị tần số cộng hƣởng anten Kết hình 3.4 cho thấy tồn giải tần hệ số suy hao nhỏ 12.5 dB đạt đƣợc yêu cầu toán thiết kế anten 3.3.2 Trở kháng vào Hình 3.5 Đồ thị smith anten Kết mô đồ trở kháng phối hợp anten hình cho thấy trở kháng vào anten toàn dải tần số đạt xấp xỉ 50 Ohm 38 3.3.3 Tỷ số sóng đứng điện áp Hình 3.6 Đồ thị hệ số sóng đứng VSWR Hệ số sóng đứng anten đƣợc thể nhƣ hình 3.6 Nhƣ hình hệ số sóng đứng VSWR nằm khoảng 1.1-1.6 thuộc giới hạn tiêu kỹ thuật anten ( ≤ SWR ≤ 2) 3.3.4 Độ lợi Hình 3.7 Độ lợi anten Độ lợi anten RealizedGain đạt 14.5 dB đạt yêu cầu toán thiết kế cho anten UWB MIMO RealizedGain tổng công suất xạ mặt cầu xung quanh 39 3.3.5 Đồ thị PeakRealizedGain Hình 3.8 Đồ thị PeakRealizedGain Đồ thị thể hiên giá trị PeakRealizedGain lớn 14 dB toàn giải tần 3.3.6 Đồ thị PeakGain Hình 3.9 Đồ thị PeakGain 40 3.3.7 Đồ thị RadiationEfficiency Hình 3.10 Đồ thị RadiationEfficiency Công suất xạ anten UWB MIMO lớn 85% toàn dải tần 3.3.8 Đồ thị hệ số tƣơng quan (ECC) Hình 3.11 Đồ thị hệ số tƣơng quan Hệ số tƣơng quan ECC nhỏ 0.000035 nhỏ yêu cầu cho phép (yêu cầu cho phép nhỏ 0.001) nhƣ anten thiết kế đạt yêu cầu 41 KẾT LUẬN Đồ án mô thành công anten MIMO cổng siêu băng rộng phần mềm HFSS Kết mô cho thấy hệ số suy hao nhỏ -12.5dB tên t, tỷ số sóng đứng điện áp VSWR thuộc khoảng đến 2, hệ số tƣơng quan 0.000035 nhỏ yêu cầu cho phép, độ lợi lớn 14 dB toàn dải tần Anten thiết kế có kích thƣớc 42 x 25 x 1.6 mm Với kết mô cho thấy, MIMO thiết kế phù hợp sử dụng công nghệ UWB 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Constantine A Balanis, Antena Theory – Analysis and Design, John Willey & Son, INC, Second Editon [2] U.S Marine Corps, Field Antenna Handbook [3] Chin Liong Yeo, Active Microstrip Array Antennas, Submitted for the degree of Bachelor of Engineering, University of Queensland [4] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, Microstrip Antenna 205 [5] Han Wang, Longsheng Liu, Zhijun Zhang, Yue Li, Zhenghe Feng, UltraCompact Three-Port MIMO Antenna With High Isolation and Directional Radiation Patterns, IEEE antennas and wireless propagation letters, vol 13, 2014 [6] C E Shannon(1949), TheMathematical Theoryof Communication, University ofIllinois Press [7] I E Telatar, Capacity ofmultiantenna Gaussianchannels, European Transactionso Telecommunications, vol.10, no.6, pp 585–595, November/December, 1999 [8] G J FoschiniandM J Gans(1998), Onlimitso fwireless communication sina fading environment whenusing multiple antennas,“Wireless Personal Communications”, vol.6, pp.311–335 [9] Andreas F Molisch and Moe Z Win, “MIMO Systems with Antenna Selection – An Overview”, March – 2004 [10] Indian School of Mines,“Compact MIMO Slot Antenna for UWB Applications”, March 30, 2016 43 ... 11.2 mm đƣợc chọn tham số thiết kế tối ƣu a Mặt đất anten UWB MIMO b Mặt anten UWB MIMO Hình 3.3 Hình ảnh anten thiết kế 3.3 Kết mô Các kết anten UWBMIMO cổng siêu nhỏ đƣợc mô phần mềm HFSS 37 3.3.1... B Anten UWB MIMO cổng Từ việc mô thành công aten đơn UWB tiến hành ghép anten đơn UWB lại với để tạo thành anten MIMO đây, ghép anten đơn lại với để tạo thành anten UWB MIMO cổng Anten đƣợc thiết. .. thiết kế mô anten UWB MIMO cổng siêu nhỏ sử dụng phần mềm HFSS Kết luận kết thu đƣợc hƣớng phát triển đề tài i TÓM TẮT Đồ án nghiên cứu thiết kế mô anten MIMO bốn cổng băng thông siêu rộng (UWB)