Nghiên cứu, thiết kế anten mảng có độ lợi lớn ứng dụng cho hệ thống thông tin ở bước sóng milimet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ THÀNH PHÁP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ANTEN MẢNG CĨ ĐỘ LỢI LỚN ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THƠNG TIN Ở BƢỚC SÓNG MM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Bình Định – Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ THÀNH PHÁP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ANTEN MẢNG CÓ ĐỘ LỢI LỚN ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN Ở BƢỚC SĨNG MM Chun ngành: Kỹ thuật viễn thơng Mã số: 8520208 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đề xuất luận văn thân thực suốt thời gian làm luận văn Các kết đạt đƣợc xác trung thực Tác giả luận văn Võ Thành Pháp ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô khoa Kỹ thuật Công nghệ tạo điều kiện, giúp đỡ trang bị cho kiến thức quý báu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Huỳnh Nguyễn Bảo Phƣơng hƣớng dẫn tận tình giúp đỡ tơi hồn thành luận văn thời hạn Tuy nhiên, hạn chế mặt thời gian nhƣ lực thân nên nội dung luận văn không tránh khỏi thiếu sót cần hồn thiện thêm Kính mong đóng góp ý kiến Q Thầy Cơ iii MỤC LỤC CHƢƠNG LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: L THUYẾT VỀ ANTEN VI DẢI 1.1 T ng quan anten 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Các thông số ản anten 1.1.2.1 Trở kháng vào anten 1.1.2.2 Hệ số định hƣớng độ tăng ch 1.1.2.3 Giản đ ức xạ 1.1.2.4 Mật độ công suất cƣờng độ ức xạ 1.1.2.5 Hiệu suất anten 11 1.1.2.6 Ph n cực anten 12 1.1.2.7 Dải tần 13 1.2 Anten vi ải 15 1.2.1 Giới thiệu chung anten vi ải 15 1.2.2 Các hình ạng ản anten vi ải 16 1.2.3 Các phƣơng pháp tiếp điện anten vi ải 18 iv 1.2.3.1 Tiếp điện đƣờng vi dải 18 1.2.3.2 Tiếp điện cáp đ ng trục 19 1.2.3.3 Tiếp điện ghép khe 19 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG 21 2.1 Giới thiệu anten mảng 21 2.1.1 Anten mảng pha 21 2.1.2 Anten mảng thích nghi 22 2.2 Các đặc tính nguyên lý hoạt động anten mảng 24 2.2.1 Các đặc tính 24 2.2.2 Nguyên tắc hoạt động 27 2.2.3 Sự chuyển dịch pha 29 2.2.4 Nhân đ thị phƣơng hƣớng 30 2.2.5 Mảng đ ng chiều 31 2.2.6 Vùng nhìn thấy 33 2.2.7 Mảng đ ng 34 2.2.8 Độ rộng búp sóng 38 2.2.9 Lợi ích anten mảng 40 2.2.10 Mạng cấp điện cho mảng 42 2.3 Các ứng dụng anten mảng 3G, 4G 43 2.3.1 Thực trạng thông tin i động ngày 43 2.3.2 Ứng dụng anten mảng thông tin i động 45 2.3.2.1 Điều khiển búp sóng 45 v 2.3.2.2 Khử nhiễu 45 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ ANTEN MẢNG PHẦN TỬ CÓ HỆ SỐ TĂNG ÍCH LỚN 49 3.1 Giới thiệu chƣơng 49 3.2 Thiết kế phần tử anten đơn 50 3.2.1 Mơ hình anten đơn đề xuất 50 3.2.2 Tối ƣu anten phần mềm mô 54 3.3 Thiết kế anten mảng phần tử có hệ số tăng ch lớn 57 3.3.1 Mơ hình anten mảng đề xuất 57 3.3.2 Kết mô 59 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt AMC Artificial Magnetic Conductor Vật dẫn từ nhân tạo CDMA Code Division Muliple Đa truy nhập phân chia theo Access mã EBG Electromagnetic Band Gap Cấu trúc chắn dải điện từ FDD Frequency Division Duplex Song công theo tần số FDMA Frequency Division Muliple Đa truy nhập phân chia theo Access tần số TDD Time Division Duplex Song công theo thời gian TDMA Time Division Muliple Đa truy nhập phân chia theo Access thời gian vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình anten [24] Hình 1.2 Sơ đ trở kháng anten [24] Hình 1.3 Hệ t a độ ph n t ch anten Hình 1.4 Giản đ ức xạ vơ hƣớng anten [24] Hình 1.5 Giản đ ức xạ mặt ph ng E mặt ph ng H cho anten loa Hình 1.6 Sự quay vector điện trƣờng 12 Hình 1.7 Sự quay vector điện trƣờng 13 Hình 1.8 Độ rộng ăng thơng 15 Hình 1.9 Cấu trúc điển hình anten vi dải [24] 15 Hình 1.10 Các dạng anten vi dải thông dụng 17 Hình 1.11 Tiếp điện đƣờng vi dải 18 Hình 1.12 Tiếp điện cáp đ ng trục 19 Hình 1.13 Tiếp điện ghép khe 20 Hình 2.1 Anten mảng pha với chum tia đƣợc kiểm sốt 22 Hình 2.2 Mơ hình Anten thích nghi 23 Hình 2.3 Dạng hình h c mảng anten g m N phần tử 27 Hình 2.4 Hệ số mảng, t ng tín hiệu từ anten để tạo đầu anten mảng pha 28 Hình 2.5 Cấu hình mảng điển hình 29 Hình 2.6 Dịch chuyển anten 29 Hình 2.7 Vùng nhìn thấy vịng trịn đơn vị 34 viii Hình 2.8 Vùng Zero vùng nhìn thấy đƣợc phần tử mảng thống 36 Hình 2.9 Độ rộng búp sóng búp sóng phụ mảng đ ng 37 Hình 2.10 Ba phần tử anten tiếp nhận sóng ph ng 40 Hình 2.11 Độ lớn Y đƣợc biểu diễn nhƣ hàm góc phát xạ θ 42 Hình 3.1 Mơ hình anten đơn 51 Hình 3.2 Mơ hệ số phản xạ S11 anten đơn theo k ch thƣớc tính toán lý thuyết 54 Hình 3.3 Mơ khảo sát thay đ i hệ số phản xạ S11 với giá trị Lpa khác 54 Hình 3.4 Kết mơ hệ số phản xạ S11 tần số 28 GHz 55 Hình 3.5 Mơ đ thị xạ anten đơn tần số 28 GHz: (a) Đ thị xạ 2D, ( ) Đ thị xạ 3D 56 Hình 3.6 Mơ hình anten mảng phần tử: (a) Anten mảng (b) Anten mảng 58 Hình 3.7 Mơ hệ số phản xạ S11 anten mảng 59 Hình 3.8 Mơ hệ số phản xạ S11 anten mảng 59 Hình 3.9 Mô đ thị xạ anten mảng 1: (a) Đ thị xạ 2D, (b) Đ thị xạ 3D 60 Hình 3.10 Mơ đ thị xạ anten mảng 2: (a) Đ thị xạ 2D, ( ) Đ thị xạ 3D 61 52 ph ng đất phần qua lớp điện mơi, phần qua khơng khí Lớp điện mơi khơng khí có hệ số điện mơi khác nhau, vậy, để giải vấn đề này, ta cần phải t nh đƣợc số điện môi hiệu dụng Giá trị số điện môi hiệu dụng đƣợc xác định theo công thức [24]: ⁄ [ ] (3.2)  Chiều dài mặt xạ Hiệu ứng viền khiến cho chiều dài xạ điện anten tăng lên đoạn , đƣợc xác định công thức [24]: ( )( ) (3.3) ( Với )( ) độ dày lớp điện mơi Khi đó, độ dài mặt xạ thực anten đƣợc xác định theo công thức [24]: (3.4) √  Chiều rộng đƣờng tiếp điện ( ) { (3.5) [ ]} Trong đó: √ (3.6) 53  Chiều ài đƣờng tiếp điện ( ) (3.7)  K ch thƣớc mặt ph ng đất (3.8) Từ k ch thƣớc tính tốn theo lý thuyết t ng hợp Bảng 3.1, anten đƣợc mô sử dụng phần mềm mô số Ansys Electronics Desktop để kiểm chứng kết tính tốn lý thuyết Kết mô tần số cộng hƣởng phần tử anten đơn theo k ch thƣớc t nh tốn lý thuyết đƣợc trình bày Hình 3.2 Quan sát từ hình 3.2 ta thấy anten đơn cộng hƣởng tần số 27,2 GHz, nhƣ theo tính tốn lý thuyết, anten đạt cộng hƣởng gần với tần số thiết kế 28 GHz B ng 3.1 Các tham s tính tốn lý thuy t c a anten Ws Wp Wf 6,51 4,23 0,29 Ls Lp Lf 5,62 3,34 1,15 n( n ị: mm) 54 Hình 3.2 Mơ hệ số phản xạ S11 c a anten đơn theo k ch thƣớc t nh toán lý thuyết 3.2.2 T anten phần m m mô Để xác định k ch thƣớc anten mà anten hoạt động tần số thiết kế, anten đƣợc mô tối ƣu ằng cách thay đ i giá trị chiều dài xạ Lpa tham số k ch thƣớc khác đƣợc giữ cố định Kết mô hệ số phản xạ anten đơn với giá trị Lpa khác đƣợc biểu diễn hình 3.3 Từ hình 3.3 ta thấy tần số cộng hƣởng anten đơn dễ àng điều chỉnh đạt tần số cộng hƣởng thiết kế thay đ i giá trị Lpa thay đ i từ 3,1 mm đến 3,5 mm Hình 3.3 Mơ khảo sát thay đổi hệ số phản xạ S11 với giá trị Lpa khác 55 Sau tối ƣu phối hợp trở kháng sử dụng vòng trịn kht bán kính Rcg=2mm mặt ph ng đế, ta xác định đƣợc giá trị k ch thƣớc tối ƣu để anten cộng hƣởng tần số thiết kế 28 GHz Từ kết mơ Hình 3.4, anten đạt cộng hƣởng tần số trung tâm 28 GHz với ăng thông -10dB GHz độ sâu cộng hƣởng đạt -23,6 dB Hình 3.4 Kết mô hệ số phản xạ S11 tần số 28 GHz Anten đơn có đ thị xạ dạng đ ng hƣớng mặt ph ng  với hệ số tăng ch đỉnh đạt 7,7 dBi Kết mô đ thị xạ anten đơn biểu diễn hình 3.5 Các tham số k ch thƣớc tối ƣu anten đơn đƣợc biểu diễn Bảng 3.2 56 (a) (b) Hình 3.5 Mơ đồ thị xạ c a anten đơn tần số 28 GHz: (a) Đồ thị xạ 2D, (b) Đồ thị xạ 3D B ng 3.2 Các tham s kí ct a anten Ws Wp Wf Rcg 4,2 0,3 Ls Lp Lf 3,3 1,15 57 3.3 Thiết kế anten mảng phần tử có hệ số tăng ch lớn 3.3.1 Mơ hình anten mảng đề xuất Trong phần này, hai mơ hình anten mảng phần tử đơn đƣợc thiết kế, mô so sánh đặc tính xạ Cả hai mơ hình anten mảng sử dụng mạng tiếp điện chia công suất vi dải với trở kháng đầu vào chia 50  Anten mảng thứ mảng tuyến tính chiều 18 phần tử, phần tử anten đơn anten có k ch thƣớc tham số điện môi đƣợc thiết kế tối ƣu phần trƣớc Mạng tiếp điện cho anten mảng chia công suất đều, đ ng iên đ ng pha đầu vào phần tử xạ Trong đó, anten mảng thứ hai mảng chiều 24 phần tử, sử dụng chia công suất không để làm mạng tiếp điện K ch thƣớc chi tiết mạng tiếp điện hai anten mảng đƣợc trình bày Hình 3.6 58 (a) (b) Hình 3.6 Mơ hình anten mảng phần tử: (a) Anten mảng (b) Anten mảng 59 3.3.2 Kết mơ Hình 3.7 3.8 trình bày kết qủa mô hệ số phản xạ S11 anten mảng anten mảng Kết mô cho thấy hai anten mảng đạt cộng hƣởng tần số thiết kế, có dịch chuyển không đáng kể so với tần số cộng hƣởng trung tâm 28 GHz anten đơn Cụ thể anten mảng cộng hƣởng tần số trung tâm 27,875 GHz, anten mảng cộng hƣởng tần số 27,95 GHz Hình 3.7 Mơ hệ số phản xạ S11 c a anten mảng Hình 3.8 Mô hệ số phản xạ S11 c a anten mảng 60 (a) (b) Hình 3.9 Mơ đồ thị xạ c a anten mảng 1: (a) Đồ thị xạ 2D, (b) Đồ thị xạ 3D 61 (a) (b) Hình 3.10 Mơ đồ thị xạ c a anten mảng 2: (a) Đồ thị xạ 2D, (b) Đồ thị xạ 3D Đặc tính xạ đƣợc khảo sát hệ số tăng ch đỉnh đ thị xạ anten mảng Kết mô đ thị xạ anten mảng mảng đƣợc biểu diễn hình 3.9 3.10 Quan sát từ kết ta thấy, hai mảng anten xạ định hƣớng với sóng hẹp nhiều so với anten đơn Điều chứng tỏ mạng tiếp điện mảng anten phối hợp thực xạ theo lý thuyết hoạt động mảng anten Anten mảng đạt hệ số tăng ch đỉnh 10,9 Bi, anten mảng đạt hệ số tăng ch đỉnh 14,7 dBi 62 Nhƣ vậy, cách thay đ i xếp vị trí phần tử anten đơn từ mảng chiều 1x8 phần tử sang mảng chiều 2x4 phần tử, anten mảng đề xuất đạt hệ số tăng ch đỉnh lớn 3,8 B so với mảng anten chiều truyền thống 63 KẾT LUẬN Chƣơng trình ày lý thuyết t ng quan anten vi dải, tập trung giới thiệu tham số ản anten, cấu tạo nguyên lý hoạt động anten vi dải, anten đƣợc sử dụng để thiết kế phần tử xạ đơn mảng Trong đó, chƣơng trình bày lý thuyết anten mảng, ứng dụng anten mảng thông tin động Nội dung thiết kế luận văn đƣợc trình bày chƣơng Cụ thể, anten vi dải tiếp điện đƣờng truyền vi dải đƣợc thiết kế thành công với k ch thƣớc nhỏ g n, hoạt động tần số 28 GHz Đ y tần số cho hệ thống thơng tin dải ƣớc sóng mm Hai mơ hình anten mảng chiều 1x8 phần tử chiều 2x4 phần tử đƣợc thiết kế, mô để đƣa đề xuất lựa ch n mảng anten phù hợp có hệ số tăng ch lớn  Hƣớng phát triển c a luận ăn: Trong thời gian tới, luận văn cần thực số nội dung sau để hoàn thiện kết nghiên cứu luận văn: - Tối ƣu mạng tiếp điện để giảm xạ ngƣợc xạ phụ - Chế tạo đo thực nghiệm tham số S11, hệ số tăng ch hai anten mảng thiết kế, mô 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Al-Hasan, M J., Denidni, T A., & Sebak, A R (2013) Millimeterwave EBG-based aperture-coupled dielectric resonator antenna IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 61(8), 4354–4357 [2] Alhalabi, R A., & Rebeiz, G M (2008), “High-efficiency angled-dipole antennas for millimeter-wave phase array applications,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 56, no 10, pp 3136– 3142 [3] Balanis, C A.,(2016), Antenna theory: analysis and design, John Wiley & Sons [4] Cheng, C.-Y., Chen, J.-P., Su, H.-L., & Lin, K.-H (2017) A wide-band square slot antenna array with superstrate and electromagnetic band-gap reflector for 60 GHz applications IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 65(9), 4618–4625 [5] Chen, Z., & Chia, M Y W (2015), Broadband planar antennas design and application (Chinese) National Defense Industry Press [6] Dadgarpour, A., Zarghooni, B., & Denidni, T A (2014) High-gain planar Bow-tie antenna using zero index metamaterial In Proceedings of the IEEE antennas and propagation society international symposium (APS-URSI) (pp 533–534) [7] El-Hameed, A S A., Barakat, A., Abdel-Rahman, A B., Allam, A., Pokharel, R K., & Yoshitomi, K (2018), “Broa an printe -dipole antenna for future 5g applications an wireless communication,” IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS), pp 106–108 [8] Elboushi, A., Haraz, O M., Sebak, A., & Denidni, T (2010) A new circularly polarized high gain DRA millimeter-wave antenna In Proceedings of the IEEE antennas propagation society international symposium (APS-URSI) (pp 1–4) [9] Li, R., Wu, T., Pan, B., Lim, K., Laskar, J., & Tentzeris, M M (2009), “Equivalent-circuit analysis of a broadband printed dipole with adjusted integrate alun an an array for ase station applications,” IEEE 65 Transactions on Antennas and Propagation, vol 57, no 7, pp 2180– 2184 [10] Liu, P., Zhu, X., Tang, H., Wang, X & Hong, W (2017), “Tapere slot antenna array for 5g wireless communication systems,” Sixth AsiaPacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), pp 1–3 [11] Liu, X., & Guo H (2007), Microwave technology and antennas (Chinese) Xidian University Press [12] Parchin, N.O., Shen, M., & Pedersen, G F (2016), “En -fire phased array 5g antenna design using leaf-shaped bow-tie elements for 28/38 ghz mimo applications,” IEEE International Conference on U iquitous Wireless Broadband (ICUWB), Oct 2016, pp 1–4 [13] Rabbani, M S., & Ghafouri-Shiraz, H (2017) High gain microstrip antenna array for 60 GHz band point to point WLAN/WPAN communications Microwave and Optical Technology Letters, 59(3), 511–514 [14] Rappaport, T S., Murdock, J N., & Gutierrez, F (2011) State of the art in 60-GHz integrated circuits and systems for wireless communications Proceedings of the IEEE, 99(8), 1390–1436 [15] Roy, P., Vishwakarma, R K., Jain, A., & Singh, R (2016), “Multiband millimeter wave antenna array for 5g communication,” International Conference on Emerging Trends in Electrical Electronics Sustainable Energy Systems (ICETEESES), March 2016, pp 102–105 [16] Singh, H., Prasad, R., & Bonev, B (2018) The studies of millimeter waves at 60 GHz in outdoor envi- ronments for IMT applications: A state of art Wireless Personal Communications, 100, 463–474 [17] Smulders, P (2002) Exploiting the 60 GHz band for local wireless multimedia access: Prospects and future directions IEEE Communications Magazine, 40(1), 140–147 [18] Su, R., Gao, P., Wang, R., & Wang, P (2018) High-gain broadside dipole planar AMC antenna for 60 GHz applications Electronics Letters, 54(7), 407–408 66 [19] Sun, M., Chen, Z N., & Qing, X (2013) Gain enhancement of 60-GHz antipodal tapered slot antenna using zero-index metamaterial IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 61(4), 1741–1746 [20] Ta, S X & Park, I (2017), “Broa an printe -dipole antenna and its arrays for 5g applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol 16, pp 2183–2186 [21] Wang, Y., Wang, H., & Yang, G (2016), “Design of ipole eamsteering antenna array for 5g han set applications,” Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS), pp 2450–2453 [22] Wu, Z., Wu, B., Su, Z., & Zhang, X (2018), “Development challenges for 5g base station antennas,” in 2018 International Workshop on Antenna Technology (iWAT), pp 1–3 [23] Yang, W., Ma, K., Yeo, K S., & Lim, W M (2015) A compact highperformance patch antenna array for 60-GHz applications IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 15, 313–316 [24] Yeoh, W S., Wong, K L., & Rowe, W S T (2011), “Wi e an miniaturized half bowtie printed dipole antenna with integrated balun for wireless applications,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 59, no 1, pp 339–342 [25] Zhang, J., Ge, X., Li, Q., Guizani, M., & Zhang, Y (2017), “5g millimeter-wave antenna array: Design an challenges,” IEEE Wireless Communications, vol 24, no 2, pp 106–112 ... ứng dụng cho hệ thống thông tin bƣớc sóng mm” làm đề tài luận văn tốt nghiệp  Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế anten mảng vi dải cho hệ thống thông tin 5G hoạt động tần số 28 GHz, có hệ. .. đƣờng truyền theo tần số lớn Có thể thấy việc nghiên cứu, thiết kế anten mảng có hệ số tăng ích lớn hoạt động dải tần 28 GHz ứng dụng cho hệ thống thông tin 5G rõ ràng hƣớng nghiên cứu tiềm nhƣng... TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ THÀNH PHÁP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ANTEN MẢNG CĨ ĐỘ LỢI LỚN ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THƠNG TIN Ở BƢỚC SÓNG MM Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8520208 Ngƣời hƣớng dẫn: