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 TRƯỜNG 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 BƯỚC SĨNG MM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG ••• BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN Bình Định - Năm 2021 VÕ THÀNH PHÁP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ANTEN MẢNG CĨ ĐỘ LỢI LỚN ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THƠNG TIN Ở BƯỚC SÓNG MM Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8520208 Người hướng dẫn: TS Huỳnh Nguyễn Bảo Phương LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đề xuất luận văn thân thực suốt thời gian làm luận văn Các kết đạt xác trung thực Tác giả luận văn Võ Thành Pháp 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 Phương hướng dẫn tận tình giúp đỡ tơi hồn thành luận văn thời hạn Tuy nhiên, hạn chế mặt thời gian 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 MỤC LỤC •• 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 DANH MỤC HÌNH VẼ • DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các tham số tính tốn lý thuyết anten đơn (đơn vị: mm) 53 Bảng 3.2 Các tham số kích thước tối ưu anten .56 MỞ ĐẦU Hệ thống truyền thơng hệ thứ năm (5G) ước tính hoạt động ăng tần sóng milimet 10 GHz để khắc phục tình trạng thiếu ăng thơng tồn cầu mạng i động khơng y ngày ăng tần milimet có lượng lớn ph khả dụng [1-3] Cơng nghệ ước sóng milimét (mmw) chấp nhận rộng rãi ứng cử viên đầy hứa hẹn cho hệ thống 5G Tuy nhiên, khía cạnh thiết kế anten, việc cải thiện tần số liên lạc mang lại thách thức sóng milimet có suy hao đường truyền khơng gian tự lớn [4-6] Vì ước sóng dải mmw ngắn, sóng milimet có xu hướng truyền theo đường th ng, đòi hỏi dạng xạ anten phải tia đa tia Vì vậy, rõ ràng anten với nhiều chùm tia yếu tố quan tr ng cho truyền thông i động 5G Do đó, anten sóng mm với nhiều tia ý rộng rãi Giao tiếp i động không dây 5G hoạt động dải tần rộng, thường từ 28 GHz đến 42 GHz dải tần cụ thể khác quốc gia Gần đ y, số loại anten ph ng thiết kế cho ứng dụng 5G anten lưỡng cực sử dụng công nghệ mạch in [8, 9], anten 5G mảng pha [24] anten lưỡng cực hình T [11-13] Các anten hoạt động ăng thơng rộng hệ số tăng ch lớn Bên cạnh đó, có số nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao hệ số tăng ch anten mảng cách sử dụng kỹ thuật khác nhằm ứng dụng cho hệ thống mmw, vốn có đặc tính suy hao đường 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 hướng nghiên cứu tiềm đặt nhiều thách thức trình thiết kế cần giải thực phối hợp trở kháng, thiết kế mạng tiếp điện sử dụng chia công suất, tối ưu đ thị xạ, Đ y ch nh lý mà tác giả ch n “Nghiên cứu, thiết kế anten mảng có độ lợi lớn ứng dụng cho hệ thống thông tin bước 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 số tăng ch lớn đảm bảo cách ly c ng phần tử xạ cạnh mảng ❖ Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu t ng quan hệ thống thông tin 5G - Nghiên cứu anten vi dải - Nghiên cứu phương pháp thiết kế anten vi dải đơn - Nghiên cứu phương pháp thiết kế mạng tiếp điện phối hợp trở kháng mạng tiếp điện anten - Thiết kế anten mảng phần tử ❖ Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Anten vi dải, anten mảng đơn sử dụng mạch dải - Mạng tiếp điện sử dụng chia cơng suất - Hệ thống thơng tin 5G ước sóng mm tần số 28 GHz ❖ Phần mềm sử dụng Các kết thiết kế dựa theo phần mềm mô số Ansys Electronics Desktop Phần mềm chuyên dùng thiết kế, mô anten linh kiện siêu cao tần khác ❖ Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết t ng quan kết hợp với tính tốn thiết kế, mơ kiểm chứng kết thiết kế theo lý thuyết 10 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN VI DẢI 1.1Tổng q an ề anten 1.1.1 nm Thiết bị ùng để xạ thu nhận sóng điện từ từ khơng gian bên ngồi gọ i anten Nói cách khác, anten cấu trúc chuyển tiếp không gian tự thiết bị dẫn sóng, thể Hình 1.1 Thơng thường máy phát anten phát, máy thu anten thu không nối trực tiếp với mà ghép với qua đường truyền lượng điện từ, g i đường tiếp điện (feeder) Hình 1.1 M hình anten [24] ph ng đất phần qua lớp điện môi, phần qua không khí Lớp điện mơi khơng khí có hệ số điện mơi khác nhau, vậy, để giải vấn đề này, ta cần phải tính số điện môi hiệu dụng Giá trị số điện môi hiệu dụng xác định theo công thức [24]: £r + £r — „ "i + + 12^£reff = —— —— WpJ Wp^ -1 w p h> (3.2) * Chiều dài mặt xạ (Lp) Hiệu ứng viền khiến cho chiều dài xạ điện anten tăng lên đoạn AL, xác định công thức [24]: AL (£reff + 0'3) (W + 0'264) =h0.412 -—-—— (£reff - 0.258) (Wwp + 0.8) (3.3) Với h độ dày lớp điện mơi Khi đó, độ dài mặt xạ thực anten xác định theo công thức [24]: Lp = c - 2AL £ /oự reff (3.4) * Chiều nI rộng đường tiếp điện (wf) 2h wf = -H5 - -In(25 - 1) -H £r + 2£r 0.611 ln(5 - 1) + 0.39 - —— £r - (3.5) Trong đó: R 60^2 ^oự£reff (3.6) * Chiều dài đường tiếp điện (Ly) Ly ^=3.96 * (3.7) K ch thước mặt ph ng đất ws = 6h + Wp (3.8) Ls — 6/ỉ + Lp Từ k ch thước tính tốn theo lý thuyết t ng hợp Bảng 3.1, anten mô sử dụng phần mềm mô số Ansys Electronics Desktop để kiểm chứng kết tính tốn lý thuyết Kết mô tần số cộng hưởng phần tử anten đơn theo k ch thước t nh toán lý thuyết trình bày Hình 3.2 Quan sát từ hình 3.2 ta thấy anten đơn cộng hưởng tần số 27,2 GHz, theo tính tốn lý thuyết, anten đạt cộng hưởng gần với tần số thiết kế 28 GHz B ng 3.1 Các tham s tính tốn lý thuy t c a anten n ( n ị: mm) Ws P Wf 6,51 4,23 0,29 Ls Lp Lf 5,62 3,34 1,15 W Hình 3.2 Mơ hệ số phản xạ S11 c ủ a anten đơn theo kích thước t inh tốn lý thuyết r 3.2.2 A 'J A T anten phần m m mơ Để xác định kích thước anten mà anten hoạt động tần số thiết kế, anten mô tối ưu cách thay đổ i giá trị chiều dài xạ Lpa tham số k ch thước khác giữ cố định Kết mô hệ số phản xạ anten đơn với giá trị Lpa khác biểu diễn hình 3.3 Từ hình 3.3 ta thấy tần số cộng hưởng anten đơn dễ àng điều chỉnh đạt tần số cộng hưởng thiết kế thay đ i giá trị L pa 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 Sau tối ưu phối hợp trở kháng sử dụng vịng trịn kht bán kính Rcg=2mm mặt phẳng đế, ta xác định giá trị kích thước tối ưu để anten cộng hưởng tần số thiết kế 28 GHz Từ kết mơ Hình 3.4, anten đạt cộng hưởng tần số trung tâm 28 GHz với ăng thông -10dB GHz độ sâu cộng hưởng đạt -23,6 dB Hình 3.4 Kết mô hệ số phản xạ S11 tần số 28 GHz Anten đơn có đồ thị xạ dạng đẳng hướng mặt phẳng ộ 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 thước tối ưu anten đơn biểu diễn Bảng 3.2 (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 c t a anten Ws Wp Wf 4,2 0,3 Ls Lp Lf 3,3 1,15 R cg 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 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 Q Anten mảng thứ mảng tuyến tính chiều x8 phần tử, phần tử anten đơn anten có k ch thước tham số điện môi thiết kế tối ưu phần trước 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 2x4 phần tử, sử dụng chia công suất không để làm mạng tiếp điện K ch thước chi tiết mạng tiếp điện hai anten mảng trình bày Hình 3.6 (b) Hình 3.6 Mơ hình anten mảng phần tử: (a) Anten mảng (b) Anten mảng 3.3.2 Kết mô Hình 3.7 3.8 trình bày kết qủa mơ hệ số phản xạ S11 anten mảng anten mảng Kết mô cho thấy hai anten mảng đạt cộng hưởng tần số thiết kế, có dịch chuyển khơng đáng kể so với tần số cộng hưởng trung tâm 28 GHz anten đơn Cụ thể anten mảng cộng hưởng tần số trung tâm 27,875 GHz, anten mảng cộng hưởng tần số 27,95 GHz Hình 3.7 Mơ hệ số phản xạ S11 c a anten mảng s Parameter Plot Array antenna 28 GHz ANSYS Freq [GHz] Hình 3.8 Mơ hệ số phản xạ S11 c a anten mảng Array antenna 28 GHz ANSYS Gain Plot Curve Info dB(GainTotal) Setupl : LastAdaptive Freq-'28GHz' Phi='90deg’ — dB(GainTotal)_1 Setupl : LastAdaptive Freq-^SGHz1 Theta=,90degl -120 -150 -180 150 120 Hình 3.9 Mô đồ thị xạ c a anten mảng 1: (a) Đồ thị xạ 2D, (b) Đồ thị xạ 3D Array antenna 28 GHz ANSYS — - Curve Info dB(GainTotal) Setupl : LastAdaptive Freq-28GHz’ Phi90deg' dB(GainTotal)_1 Setupl : (a) ANSYS Ì T Mm -296 (b) Hình 3.10 Mô đồ thị xạ c a anten mảng 2: (a) Đồ thị xạ 2D, (b) Đồ thị xạ 3D Đặc tính xạ khảo sát hệ số tăng ích đỉnh đồ thị xạ anten mảng Kết mô đ thị xạ anten mảng mảng biểu diễn hình 3.9 3.10 Quan sát từ kết ta thấy, hai mảng anten xạ định hướng 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 Như vậy, cách thay đổ 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 KẾT LUẬN Chương trình bày lý thuyết tổng quan anten vi dải, tập trung giới thiệu tham số ản anten, cấu tạo nguyên lý hoạt động anten vi dải, anten sử dụng để thiết kế phần tử xạ đơn mảng Trong đó, chương trình bày lý thuyết anten mảng, ứng dụng anten mảng thông tin động Nội dung thiết kế luận văn trình bày chương Cụ thể, anten vi dải tiếp điện đường truyền vi dải thiết kế thành công với k ch thước nhỏ g n, hoạt động tần số 28 GHz Đ y tần số cho hệ thống thông tin dải ước sóng mm Hai mơ hình anten mảng chiều 1x8 phần tử chiều 2x4 phần tử thiết kế, mô để đưa đề xuất lựa ch n mảng anten phù hợp có hệ số tăng ch lớn * Hướng phát triển c luận văn: Trong thời gian tới, luận văn cần thực số nội dung sau để hoàn thiện kết nghiên cứu luận văn: - Tối ưu mạng tiếp điện để giảm xạ ngược xạ phụ - Chế tạo đo thực nghiệm tham số S11, hệ số tăng ch hai anten mảng thiết kế, mô 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 31363142 [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 Transactions on Antennas and Propagation, vol 57, no 7, pp 21802184 [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 [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 high- performance 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 ... trở kháng, thiết kế mạng tiếp điện sử dụng chia công suất, tối ưu đ thị xạ, Đ y ch nh lý mà tác giả ch n ? ?Nghiên cứu, thiết kế anten mảng có độ lợi lớn ứng dụng cho hệ thống thơng tin bước sóng. .. 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 hướng nghiên cứu tiềm đặt nhiều thách thức trình thiết kế cần... Bình Định - Năm 2021 VÕ THÀNH PHÁP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ANTEN MẢNG CÓ ĐỘ LỢI LỚN ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG THƠNG TIN Ở BƯỚC SĨNG MM Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8520208 Người hướng dẫn: