Báo cáo môn học phân tích thiết kế hệ thống đề tài thiết kế antten thông minh

. Trong thông tin vô tuyến, anten là một hệ thống cho phép truyềnvà nhận năng lượng trường điện từ. Anten cũng có thể được xem như là một thiếtbị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất cứ phương tiện truyền dẫn tập trung nào: như cáp đồng, cáp quang hay ống dẫn sóng. Trong nhiều ứng dụng, anten hoàn toàn có thể so sánh được với các phương tiện truyền dẫn khác để chuyển tải năng lượng trường điện từ. Chính do “hiệu ứng da” nên việcsử dụng dây dẫn để truyền tải thông tin trở nên kém hiệu quả trong các hệ thống thông tin tần số cao, lúc này anten càng thể hiện được sự vượt trội của mìnhtrong việc trong việc chuyển tải các trường điện từ. Đặc biệt trong các hệ thống thông tin ở các khu vực có địa hình phức tạp hoặc các khu vực ít dân cư, việcxây dựng các hệ thống hữu tuyến trở nên tốn kém và khó khăn thì thông tin vô tuyến được chọn là giải pháp tối ưu. Sóng trường điện từ chi phối hoạt động của anten được mô tả bởi phương trình Maxwell. Các phương trình này được thiết lập bởi Maxwell vào năm 1876, ông đã thống nhất các định lý trước đó của Faraday, Ampere và Gauss và cho thấy rằng vận tốc truyền lan sóng điện từ bằng với vận tốc ánh sáng. Các bước phát triển của anten qua các giai đoạn từ giai đoạn hình thành cho đến nay. Năm1886,nhà vật lý người Đức- Heinrich Hertz đã kiểm tra bằng thí nghiệm sự tồn tại của sóng điện từ, ông đã phát triển các lưỡng cực đơn giản và các anten vòng. Năm1987, nhà vật lý người Nga-Alexander Popov đã phát triển tuyến anten đầu tiên và có khả năng truyền tín hiệu ở khoảng cách ba dặm. Năm1901,Guglielmo Marconi ông đã thành công với hệ thống thông tin vô tuyến xuyên Đại Tây Dương với tần số hoạt động là 60Khz. Năm1916, lần đầu tiên sử dụng kỹ thuật điều biên để truyền tín hiệu tiếng nói. Năm1920, việc tạo ra các tín hiệu có tần số cao lên đến 1Mhz nên làm cho các anten có kích thước nhỏ về điện. Năm1930, các nguồn dao động cao tần được tao ra với tần số lên đến dãy Ghz. Năm1934, hệ thống vô tuyến điện thoại thương mại đầu tiên được tạo ra hoạt động giữa Anh và Pháp với tần số hoạt động 1.8Ghz. Năm1940-1945, đạt được nhiều kết quả nghiên cứu trong việc phát triển radar, các mảngvà các anten thấu kính. Năm1945 đến nay, kỷ nguyên của anten hiện đại. Anten hiên đại cho phép phân phốicác tín hiệu vô tuyến trên phạm vi toàn thế giới, cho phép thông thoại có tính toàn cầu nhanh chóng. Các ứng dụng trong công nghệ thông tin vệ tinh, và sự bùng nổ của công nghệ viễn thông dẫn đến lĩnh vực anten đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm. Chính vì sự quan trọng của anten trong viễn thông nói chung và trong thông tin vô tuyến nói riêng, những người thực hiện đề tài đã chọn đề tài “ Thiết kế anten thông minh”.

1 Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử ––––(–)–––– BÁO CÁO MƠN HỌC PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG Đề tài : Thiết kế antten thông minh Giáo viên hướng dẫn : TS Tống Văn Luyên Sinh viên thực : Hà Thị Kim Lanh - KTMT1 Nguyễn Thị Thơm - KTMT1 Vũ Hà Hưng –KTMT1 Hà Nội 10/2019 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, đứng trước phát triển mạnh mẽ khơng ngừng ngành cơng nghiệp viễn thơng Trong đó, không kể đến thông tin vô tuyến phát triển đạt nhiều thành tựu đáng kể, thông tin vô tuyến ngày không ngừng nghiên cứu để cải tiến dịch vụ chất lượng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao người dùng Nhắc đến thông tin vô tuyến không nhắc đến thành phần quan trọng bậc lĩnh vực vơ tuyến anten Trong thông tin vô tuyến, anten hệ thống cho phép truyềnvà nhận lượng trường điện từ Anten xem thiếtbị dùng để truyền lượng trường điện từ máy phát máy thu mà không cần phương tiện truyền dẫn tập trung nào: cáp đồng, cáp quang hay ống dẫn sóng Trong nhiều ứng dụng, anten hồn tồn so sánh với phương tiện truyền dẫn khác để chuyển tải lượng trường điện từ Chính “hiệu ứng da” nên việcsử dụng dây dẫn để truyền tải thông tin trở nên hiệu hệ thống thông tin tần số cao, lúc anten thể vượt trội mìnhtrong việc việc chuyển tải trường điện từ Đặc biệt hệ thống thông tin khu vực có địa hình phức tạp khu vực dân cư, việcxây dựng hệ thống hữu tuyến trở nên tốn khó khăn thơng tin vơ tuyến chọn giải pháp tối ưu Sóng trường điện từ chi phối hoạt động anten mơ tả phương trình Maxwell Các phương trình thiết lập Maxwell vào năm 1876, ơng thống định lý trước Faraday, Ampere Gauss cho thấy vận tốc truyền lan sóng điện từ với vận tốc ánh sáng Các bước phát triển anten qua giai đoạn từ giai đoạn hình thành Năm1886,nhà vật lý người Đức- Heinrich Hertz kiểm tra thí nghiệm tồn sóng điện từ, ông phát triển lưỡng cực đơn giản anten vòng Năm1987, nhà vật lý người Nga-Alexander Popov phát triển tuyến anten có khả truyền tín hiệu khoảng cách ba dặm Năm1901,Guglielmo Marconi ông thành công với hệ thống thông tin vô tuyến xuyên Đại Tây Dương với tần số hoạt động 60Khz Năm1916, lần sử dụng kỹ thuật điều biên để truyền tín hiệu tiếng nói Năm1920, việc tạo tín hiệu có tần số cao lên đến 1Mhz nên làm cho anten có kích thước nhỏ điện Năm1930, nguồn dao động cao tần tao với tần số lên đến dãy Ghz Năm1934, hệ thống vô tuyến điện thoại thương mại tạo hoạt động Anh Pháp với tần số hoạt động 1.8Ghz Năm19401945, đạt nhiều kết nghiên cứu việc phát triển radar, mảngvà anten thấu kính Năm1945 đến nay, kỷ nguyên anten đại Anten hiên đại cho phép phân phốicác tín hiệu vơ tuyến phạm vi tồn giới, cho phép thơng thoại có tính tồn cầu nhanh chóng Các ứng dụng cơng nghệ thơng tin vệ tinh, bùng nổ công nghệ viễn thông dẫn đến lĩnh vực anten thu hút nhiều quan tâm Chính quan trọng anten viễn thơng nói chung thơng tin vơ tuyến nói riêng, người thực đề tài chọn đề tài “ Thiết kế anten thông minh” 4 MỤC LỤC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tổng quan tề tài nghiên cứu - Giới thiệu chung: khái niệm, đặc điểm kỹ thuật ứng dụng- -Tài liệu tham khảo Cơ sở kỹ thuật - Sơ đồ khối chức - Cơ sở lý thuyết nguyên lý hoạt động Thiết kế: - Tổng quan - Các thông số anten - Bài tốn thực tế - Trình tự thiết kế Thực thi thiết kế: Trên mơ hình mô phần cứng -Kiểm chứng, tối ưu đánh giá kết -Báo cáo tổng kết đề tài 5 CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Giới thiệu chung Khái quát a) Giới thiệu beamforming 1.1.1 Beamforming cơng nghệ sóng giúp hướng sóng vào mục tiêu cụ thể thay lan tỏa khu vực Thông thường, định tuyến phát sóng WiFi theo hướng Với Beamforming, xác định thiết bị đâu truyền sóng theo hướng Beamforming nằm tiêu chuẩn định tuyến WiFi IEEE 802.11ac hệ Hình 1.1 Hệ thống beanforming b) Giới thiệu anten Thiết bị dùng để xạ sóng điện từ (anten phát) thu nhận sóng (anten thu) từ khơng gian bên ngồi gọi anten Nói cách khác, anten cấu trúc chuyển tiếp không gian tự thiết bị dẫn sóng (guiding device), thể hình 1.2 Thơng thường máy phát anten phát, máy thu anten thu không nối trực tiếp với ghép với qua đường truyền lượng điện từ, gọi feeder Trong hệ thống nayfy máy phát có nhiệm vụ tạo dao động điện cao tần Dao động điện truyền theo feeder tới anten phát dạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu nhận sóng điện từ tự từ khơng gian bên ngồi biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng buộc Sóng truyền theo feeder tới máy thu Yêu cầu thiết bị anten feeder phải thực việc truyền biến đổi lượng với hiệu suất cao không gây méo dạng tín hiệu 6 Hình 1.2 Anten thiết bị truyền sóng Cùng với việc thu nhận hay truyền phát lượng, anten hệ thống không dây thuwognf yêu cầu định hướng lượng xạ mạnh theo hướng triệt tiêu lượng hướng khác Do anten có vai trị thiết bị xạ hướng tính Hơn anten phải có hình dạng khác để phù hợp với mục đích cụ thể 1.1.2 Lịch sử: - Trước Beamforming phần 802.11n, yêu cầu định tuyến thiết bị phải hỗ trợ kiểu Beamforming Vì khơng có chuẩn chung nên nhà sản xuất thiết bị tự thay đổi theo ý mình, khó mà có tương thích - Nhưng với chuẩn 802.11ac vấn đề khắc phục Có chuẩn chung cho Beamforming thiết bị 802.11ac, định tuyến hay laptop bạn chẳng hạn, chạy với dễ dàng - Beamforming phần 802.11ac khơng có nghĩa thiết bị 802.11ac hỗ trợ Beamforming, có, chúng dạng chuẩn - Beamforming hoạt động nhờ thu - phát sử dụng công nghệ MIMO Dữ liệu gửi nhận nhiều ăng-ten để tăng số lượng khoảng cách truyền liệu MIMO lần đầu giới thiệu chuẩn 802.11n tính quan trọng 802.11ac 1.1.3 Đặc điểm kĩ thuật - Trong ăng ten mảng, dịng tần số vơ tuyến từ máy phát đưa đến ăng ten riêng lẻ có mối quan hệ pha xác để sóng vơ tuyến từ ăng ten riêng biệt cộng lại với để tăng xạ theo hướng mong muốn, đồng thời hủy bỏ xạ không mong muốn hướng 7 - Trong mảng theo pha, lượng từ máy phát cung cấp cho anten thông qua thiết bị gọi dịch pha, điều khiển hệ thống máy tính, thay đổi pha điện tử, điều khiển chùm sónag vơ tuyến sang hướng khác Do mảng phải bao gồm nhiều ăng ten nhỏ (đôi hàng nghìn) để đạt mức tăng cao, mảng theo pha chủ yếu thực tế đầu tần số cao phổ vơ tuyến, phần tử ăng ten nhỏ 1.1.4 Ứng dụng: - ứng dụng để thiết kế để loại bỏ chức từ hướng không mong muốn nhận lượng cách nhạy cảm từ hướng khác - cung cấp hệ thống cảnh báo khác cuối cho lốc xoáy thời tiết nguy hiểm khác - ứng dụng ô tô để phát xác định người - cho phép đài truyền hình hướng tín hiệu họ phía khu vực người nghe đài phát 1.2 Tài tham khảo  Antenna theory annalysis and design_NKH.Constantine A.Balanis  Lý thuyết kỹ thuật anten_GS TS Phan Anh  Nghiên cứu phát triển định dạng điều khiển búp sóng thích nghi để chống nhiều anten thông minh_ TS Tống Văn Luyên CHƯƠNG 2.1 CƠ SỞ KỸ THUẬT Sơ đồ khối chức beanforming 2.1.1 Sơ đồ khối • Khuếch đại: làm tăng mức tín hiệu cơng suất xạ cho tín hiệu truyền nhận • Trực tiếp: hướng tín hiệu tập chung theo hướng tạo mức tăng ăngten • Giảm thiểu nhiễu: loại bỏ giảm thiểu nhiễu cho tín hiệu đến từ hướng ăng ten khơng hướng tới • Steerible(chỉ đạo): hướng tín hiệu thay đổi điện tử để tối ưu hóa chức 2.1.2 Chức Có hai chức hệ thống thơng tin liên lạc  -Khi kết nối với máy phát, thu thập tín hiệu AC gửi thẳng, phát xạ sóng RF theo mơ hình cụ thể cho loại ăng-ten  -Khi kết nối với máy thu, anten lấy sóng RF mà nhận gửi tín hiệu AC cho máy thu  -Việc truyền RF anten thường so sánh tham chiếu đến xạ đẳng hướng  -Có hai cách để tăng công suất phát ăng-ten  -Tạo công suất mạnh máy phát (khơng ưu tiên tốn kém)  -Truyền hội tụ tín hiệu RF phát xạ từ anten 2.2 Cơ sở lý thuyết nguyên lý hoạt động 2.2.1 Cơ sở lý thuyết nguyên lý hoạt động Cấu trúc đơn giản BF số phía thu biểu diễn Hình 1.4 Các BF thực tác động trọng số vào tín hiệu thu nhằm làm thay đổi biên độ pha chúng cho tín hiệu tổng hợp thành tín hiệu đầu mong muốn Các BF số thay đổi giá trị trọng số (w) nhằm hướng búp sóng hướng mong muốn thay đổi búp sóng để tối ưuhiệu hệ thống Như vậy, linh hoạt BF số cho phép thực thi BF thích nghi có khả thay đổi đáp ứng cách tự động theo điều kiện khác ứng dụng rộng rãi thực tế 2.2.2 Hoạt động - tín hiệu cao tần thu từ mảng anten chuyển xuống trung tần (IF) Sau đó, tín hiệu IF chuyển đổi sang tín hiệu số nhờ khối ADC Tín hiệu số chuyển đổi xuống tốc độ phù hợp với khả xử lý hiệu chuẩn Tiếp theo, BF, hướng tín hiệu cần thu xác định thơng qua khối DOA Căn vào đó, thuật toán BF giúp khối điều khiển BF tạo trọng số phù hợp tác động vào tín hiệu thu từ phần tử anten cho tín hiệu tổng hợp thu đầu tốt khối BF Cuối tín hiệu thu đưa tới khối xử lý tín hiệu băng gốc để thu thơng tin xác mà bên phát gửi đi.Tương ứng trên, trình phát tín hiệu diễn theo chiều ngược lại 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG ANTEN HÌNH CHỮ NHẬT 3.1 Tổng quan Anten vi dải hình chữ nhật có cấu tạo gồm mặt xạ,mặt phẳng đất lớp điện mơi mặt kim loại trên.kích thước mặt xạc,chiều cao hệ số điện môi la thông số định tần số cộng hưởng anten, nên chúng phải lựa chọn tính tốn xác Hình 3.3 Sơ đồ mơ mảng hình chữ nhật anten 3.2 Các thơng số anten − Tần số công tác anten tần số cộng hưởng anten.Anten làm việc chế độ cộng hưởng cơng suất xạ anten lớn − Hệ số định hướng anten theo hướng cực đại định nghĩa tỷ số cường dộ trường xạ vị trí hướng cường độ trường xạ anten chuẩn vị trí tương ứng (D) Hệ sơ tăng ích(Độ lợi) anten( G=e,D), e hiệu suất xạ anten − Trở kháng vào anten 11 Khi kết nối anten với feeder cần ý tới điều kiện phối hợp trở kháng, Thông thường trở kháng đặc tính feeder để phối hợp trở kháng − Hệ số tổn hao RL(dB) đánh giá mức độ phản xạ sóng điểm phối kết nối anten với feeder − Hệ số sóng đứng SWR đánh giá mức độ không phối hợp trở kháng anten feeder *Trong đó: W chiều rộng mặt xạ; L chiều dài mặt xạ; h bề dày lớp diện môi; Wg chiều rộng mặt phẳng đất Lg chiều dài mặt phẳng đất Hình 3.4 Hình ảnh biể diễn thơng số 3.3 Bài tốn thực tế Đề bài: Chọn vật liệu chế tạo anteen mạch in mặt có Biết: Số điện môi 4.5, độ dày h=1.6mm, giải tần số GSM: =1900MHz, c=3x10^8(m/s)( vận tốc ánh sáng) Giải toán Chiều rộng mặt xạ tính theo cơng thức: W==48(mm) Hệ số điện môi hiệu dụng: 12 Độ dài hiệu dụng anten xác định theo công thức: Độ tăng độ dài tính theo cơng thức: Độ dài thực mặt xạ tính cơng thức: Kích thước mặt phẳng đất (và) xác định theo cơng thức: 3.4 Trình tự thiết kế Bước 1: Tạo khối chức Bước 2: Điều chỉnh thông số khối Bước 3: Chạy với kiểu hình chữ nhật (rectangular) Bước 4: Đưa kết kiểu hình chữ nhật ,hình lục giác,hình trịn Bước 5: Nhận xét đánh giá mô CHƯƠNG THỰC THI THIẾT KẾ TRÊN ỨNG DỤNG SYSTEMVUE 4.1 Thực thi thiết kế anten hình chữ nhật Bước 1: Tạo khối chức 13 Hình 4.5 Tạo khối đầu vào Hình 4.6 Tạo khối khuếch đại 14 Hình 4.7 Tạo khối điều khiển trọng số Hình 4.8 Tạo khối điều khiển mảng anten 15 Hình 4.9 :Tạo khối thị Hình 4.10 Sơ đồ khối Bước 2: Điều chỉnh thơng số khối 16 Hình 4.11 Thơng số khối đầu vào Hình 4.12 Thống số khối khuếch đại 17 Hình 4.13 Thơng số khối điều khuyển trọng số Hình 4.14 Thơng số khối điều khuyển mảng 18 Hình 4.15 Thơng số khối thị búc xạ anten Hình 4.16 T hông số khối thị mảng anten 19 Bước 3: Chạy với kiểu hình chữ nhật (rectangular) Hình 4.17 Chạy mơ kiểu hình chữ nhật 4.2 Kết nhận xét 4.2.1 Rectangular array Hình 1: giản đồ xạ mảng anten hình chữ nhật hiển thị 64 mảng anten xếp theo hình chữ nhật 20 4.2.2 Hexagonal Array (aka "triangular") Hình 2: giản đồ xạ mảng anten hình lục giác hiển thị 64 mảng anten xếp theo hình lục giác 4.2.3 Circular array Hình 3: giản đồ xạ mảng anten hình trịn hiển thị 64 mảng anten xếp theo hình trịn *nhận xét :  Hình 1: 21 - Góc quét: � = 0◦ � = 90◦ - Hệ số tổn hao: -5.16 dB10 - Hướng sóng: phần lượng (phần màu đỏ) giản đồ xạ tập trung lớn hướng có phần lượng hướng bên Phần nhiễu (phần màu xanh) cịn nhiều - Tính tốn tọa độ phức tạp sửa => Dễ dàng thực  Hình 2: - Góc qt: � = 0◦ � = 90◦ - Hệ số tổn hao: -5.2 dB10 - Hướng sóng: phần lượng (phần màu đỏ) giản đồ xạ tập trung lớn hướng có phần lượng hướng bên Phần nhiễu (phần màu xanh) cịn nhiều - Tính tốn tọa độ phức tạp sửa => Dễ dàng thực  Hình 3: - Góc qt: � = 0◦ � = 90◦ - Hệ số tổn hao: -5.6 dB10 - Hướng sóng: phần lượng (phần màu đỏ) giản đồ xạ tập trung lớn hướng có nhiều phần lượng hướng bên Phần nhiễu (phần màu xanh) cịn nhiều - Tính tốn tọa độ phức tạp sửa => Dễ dàng thực 22 4.3 Đánh giá Nếu SWR lớn làm cho tín hiệu tệ trở nên khơng ổn định , nên sử dụng định nghĩa chặt chẽ băng thơng ăng ten Do đó, băng thông dB 10 dB sử dụng Các mẫu biên độ trường xa dọc theo mặt phẳng trường điện (E) (nghĩa thena � = 0◦) mặt phẳng trường từ (H) (nghĩa E� � = 90◦) Các mơ hình trường xa mặt phẳng H từ hai mơ hình khớp gần hồn hảo; nhiên, mẫu trường xa mặt phẳng E, hiển thị tối đa � = 5◦ null = 90◦  ... động Thiết kế: - Tổng quan - Các thông số anten - Bài tốn thực tế - Trình tự thiết kế Thực thi thiết kế: Trên mơ hình mơ phần cứng -Kiểm chứng, tối ưu đánh giá kết -Báo cáo tổng kết đề tài 5... riêng, người thực đề tài chọn đề tài “ Thiết kế anten thông minh? ?? 4 MỤC LỤC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tổng quan tề tài nghiên cứu - Giới thiệu chung: khái niệm, đặc điểm kỹ thuật ứng dụng- -Tài liệu tham... dụng dây dẫn để truyền tải thông tin trở nên hiệu hệ thống thông tin tần số cao, lúc anten thể vượt trội mìnhtrong việc việc chuyển tải trường điện từ Đặc biệt hệ thống thông tin khu vực có địa