H thệ ống thông tin liên lạc và hệ ống radar đều là các hệ ống phát và thu th th tín hi u. Mệ ột máy đo phóng xạ thì không như vậy, nó chỉ được dùng đểthu tín hiệu mà thôi.
Máy đo phóng x s thu nhạ ẽ ững sóng điệ ừ trường đượn t c phát ra m t cách t ộ ự nhiên từ ậ v t th . T t cể ấ ả ọ m i v t th có nhiậ ể ệt độ trên 00 tuyệt đối đều phát ra những dao động. B i vì nh ng s ở ữ ự dao động s phát ra nhẽ ững sóng điện t ừ trường, nên là những dao động nhiệt ngẫ nhiên của các vật thể ẽ ẫn đến việc phát xạ ra các u s d sóng điệ ừ trườn t ng. Nhiệt độ ể ệ th hi n m c đ m c đ dao đ ng ng u nhiên c a c c ứ ộ ứ ộ ộ ẫ ủ ấ ph n t là nhi u hay là ít. ầ ử ề
Ở ộ m t nhiệt độ cao hơn, nhiều ph n t s va ch m vầ ử ẽ ạ ới nhau hơn, và các phần t s ử ẽ di chuyển nhanh hơn bởi vì có nhiều năng lượng được lưu trữ ở trong vật chấ t hơn; do đó, sẽ có nhi u sóng s ề ẽ được b c x ra t n s ứ ạ ở ầ ố cao hơn. Do đó, nhiệt độ và bức xạ điệ ừ trườn t ng có m i quan h mố ệ ật thiế ớt v i nhau.
Máy đo phóng xạ thường được ch t o b i nhi u nh ng anten t o thành m ng. ế ạ ở ề ữ ạ ả Mỗi một anten này sẽ đo sóng điện từ trường phát ra từ ật thể Ở trên chúng ta đã v . có đề ập đế c n chuyên nhiệt độ và b c x ứ ạ điện t ừ trường có m i quan h m t thi t ố ệ ậ ế với nhau. Do đó, máy đo phóng xạ ẽ ổng hợp các tín hiệu thu được từ s t mỗi một thành ph n anten trong dàn anten m ng, và k t qu sau khi t ng h p tín hiầ ở ả ế ả ổ ợ ệu đó sẽ cho ta được các thông s ố như là nhiệt độ phát ra t ừ đối tượng.
2.3.3 Làm nóng bằng điện từ trường.
H thệ ống làm nóng bằng điện từ trường sẽ phát ra các sóng điện từ trườ g đển nhằm một mục đích duy nhất là làm nóng một vật. Khi các sóng điện từ trường va đập vào v t th , nó s s n làm các phân t b m t c a vậ ể ẽ ả ử ở ề ặ ủ ật đó bị dao động do ti p ế xúc với sóng điện từ trường. Những dao động của các phần t này sử ẽ ả s n sinh ra nhiệt lượng và làm nóng v t th lên. ậ ể
Một hệ thống làm nóng bằng sóng điện từ bao gồm một nguồn phát sóng và các anten. Ngu n sồ ẽ ản sinh ra năng lượ s ng t i m t t n sạ ộ ầ ố được định sẵn để tương ứng v i th i gian ph n ng c a các đi n môi b làm nóng. ớ ờ ả ứ ủ ệ ị
Việc làm nóng các ch t không dấ ẫn điện có 2 ng d ng quen thu c: Lò vi sóng ứ ụ ộ và chữa tr ị ung thư. Những ng d ng này hoứ ụ ạt động được với cả đồ ăn và cấ c kh i u ố chứa chủ ếu là nướ y c. Máy làm nóng s s d ng m t t n s phù hẽ ử ụ ộ ầ ố ợp để có th kích ể thích s phân cự ực của nước tại m t mộ ứ độ ầc g n v i th i gian phớ ờ ả ứn ng của nước, và đối tượng theo đó sẽ ấ h p th ụ các năng lượng được phát t i. ớ
Ví dụ: Nếu một chiếc lò vi sóng được đặt trong một căn phòng có nhiệt đ ộ thấp hơn 0 độ C, liệu chiếc lò vi sóng này có thể làm tan cục đá đượ ấc l y ra t t ừ ủ l nh hay không? ạ
Trả ời: Theo như đã nói ở l trên, thì lò vi sóng s kích thích s phân c c của ẽ ự ự nước. Đá là dạng tinh thể. Do đó, đá sẽ không b tan ra. Nị ếu bên trong đá có một lượng nh ỏ nước, thì lượng nước này s b ẽ ị làm nóng lên và đá sẽ ị tan ra khi đượ b c để trong lò vi sóng, do lò vi sóng s ẽ làm nóng nướ ởc bên trong cục đá đó ra.
2.4 Kết luận
Trong chương này, luận văn trình bày những ki n thế ức cơ bản v anten m ng, ề ả bao gồm đ nh nghĩa, nhị ững loại anten mảng cơ bản và những đ c điặ ểm, tính ch t cấ ủa từng loại anten. Vi c n m rệ ắ õ kiến thức về anten mảng gi p việc nghiên cứu, chế ạú t o và ứng d ng vào th c t hiụ ự ế ệu quả hơn sẽ đư c trìợ nh b y chương tiếp theo. à ở
CHƯƠNG 3. NGHIÊN C U NG D NG C A ANTEN Ứ Ứ Ụ Ủ M NG HÌNH NHẢ ẪN TRONG IOT
Trong chương 3, luận văn trình bày v c u t o và kh ề ấ ạ ả năng hoạt động c a 2 ủ anten m ng hình nh n, m t chiả ẫ ộ ếc nhẫn theo dõi s c kho , và mứ ẻ ột chiếc nh n cẫ ảm biến. Luận văn ẽ ầs l n lượt đi sâu vào phân tích lần lượt từng loại nhẫn một, về ấ c u trúc, thành ph n c u t o, và các cầ ấ ạ h s ỉ ốquan tr ng trong viọ ệc đánh giá khả năng hoạt động c a t ng chi c nh n, ví d như các ch s trong không gian m và các ch s ủ ừ ế ẫ ụ ỉ ố ở ở ỉ ố khi có s hiự ện diện của tay người dùng.
3.1 Nh n theo dõi sẫ ức khoẻ
Trong chương này, một anten m ng t ng ph n ả ừ ầ hình tròn được xây d ng trên ự một chiếc nhẫn để phục vụ cho hệ thống thông tin liên lạc 5G tại 28GHz. Anten mảng đã được thử nghi m ệ ở trong không gian mở và trong điều kiện có ảnh hưởng che lấp của ngón tay người dùng trong mô ph ng. ở ỏ
Những anten được xây dựng như trên thì hoạ ột đ ng rấ ổn định kể ả khi chịu t c ảnh hưởng bởi người dùng, và có m t vùng ph sóng là r t r ng và có nhộ ủ ấ ộ ững đặc tính t t, hi u qu . ố ệ ả
3.1.1 Gi i thi u ớ ệ
Trong thời gian gần đây thì nh ng hệ ốữ th ng thông tin liên lạc 5G và mạng lư i ớ vạn v t kậ ết nối đã tr thành mộ ấở t v n đề nghiên cứu đư c nhi u nhà khoa hợ ề ọc quan tâm.
Nh ng ữ ứng d ng c a m ng v n v t kụ ủ ạ ạ ậ ết nối có th bao trùm rể ất nhiều những lĩnh vực khác nhau, như là y t , vận chuyển, công nghiệp, nông nghiệp, nhà thông minh, ế các phương ti n giao thông, trưệ ờng học, chợ, và trong các ngành công nghiệp khác.
Một chiếc anten được tích hợp trong một chiếc nhẫn có thể được dùng như là một thiết bị theo dõi sức khoẻ ới tần số ửi dữ ệu về cao, theo dõi, và thậm chí có v g li th tr thành mể ở ột thiết bị liên lạc trong tương lai.
Để có th ể đạt được được truy n t i d li u cao trong mề ả ữ ệ ở ạng 5G như là một dải tần số hoạt động ở 28GHz đã được các nhà khoa học khuyên dùng. Tuy nhiên, khi t n sầ ố tăng lên thì sự suy hao cũng tăng lên theo. Mặt khác, ổt n hao đường truyền có thể được khắc ục bằng cách sử ụng những anten định hướng có độ ợi ph d l cao với kh ả năng lái tia được tích h p bên trong. ợ ở
Những anten như vậy đã được các nhà khoa học nghiên cứu để ứ ng d ng trong ụ các thiế ị đầt b u cu i s d ng m ng 5G vào nhiố ử ụ ạ ều năm trước đây. [6]
Kh ả năng làm việc của anten mảng điện thoại hoạt động trên tần số 28GHz thường được đánh giá bằng cách chọn trước m t hi u su t bao ph ộ ệ ấ ủ lý tưởng. Người ta cũng tìm ra rằng ảnh hưởng n t đế ừ người dùng cũng đóng m t vai trò quan tr ng ộ ọ trong kh ả năng hoạt động anten trong các thiết bị di động đầu cu i. ố
Những chiếc anten mảng được tích hợp trong nhẫn đã được khảo sát cho các tần số ở dưới 28GHz, tuy nhiên, do sự suy hao do bị ấp thụ, nên là hiệu suất của h nh ng thi t k trên là r t th p. ữ ế ế ấ ấ
Trong chương này, ận văn ẽ cùng đi nghiên cứlu s u m t chi c anten m ng t ng ộ ế ả ừ ph n ầ được tích hợ ở trong một chiếc nhẫn, hoạt độp ng tở ần số 28GHz. Trái ngược với những thiết kế dành cho những tần số ấp, hiệu suất của thiết kế này cao hơn, th b i vì lý do t n s ở ầ ố cao hơn.
Ngoài ra, anten mảng t ng ph n ừ ầ trên cũng sẽ được khảo sát khả năng hoạt động khi có s xu t hi n cự ấ ệ ủa tay người dùng. Mô ph ng toàn b cơ th ỏ ộ ể người dùng thì t m thạ ời chưa được nghiên cứu, b i vở ì không có một tư thế tiêu chuẩn nào của
người dùng khi s d ng nh n có th ử ụ ẫ ể được xác đ nh, và v trí c a bàn tay có th n m ị ị ủ ể ằ ở ấ ỳ đâu. b t k
Và cuối cùng, trong chương này, ận văn cũng sẽ đi nghiên cứlu u về ự l c đi n ệ động (EMF) của bàn tay người dùng lên anten mảng được tích h p bên trong chi c ợ ế nhẫn đó.
3.1.2 Thiế ế ủt k c a anten mảng.
Chiếc anten mảng từng ph n ầ hình tròn được tích hợp trong nhẫn, được cấu tạo bởi nhiều những phần tử anten hình chữ L ngược. Nh ng anten nh ữ ỏ đươc phân bố quanh chiếc nhẫn với một góc 180.
Khoảng cách giữa các phân tử anten trong thiết kế anten mảng hình tròn trên, thì đươc đ xu t là cách nhau 4mm. Chiề ấ ếc anten được c u t o b i 4 l p v t li u, ấ ạ ở ớ ậ ệ tính t giừ ữa chiếc nhẫn ra đến ngoài thì s gẽ ồm các lớp sau:
Lớp đệm nhẫn Teflon – đường kính 11mm, với độ dày là 1mm.
Lớp đồng bao quanh, có vai trò như là “đất” (ground) đường kính 11mm, độ – dày 0,5mm.
T m n n Roger RO3003 – ấ ề đường kính 11,5mm, độ dày 1,524mm.
Nh ng anten bữ ằng đồng được in bên trên t m n n Roger – ở ấ ề độ dày 0,034mm. Chiếc nhẫn sẽ có độ dày là 5mm. Những phần tử anten có kích thước là 3,4mmx0,6mm, và được c p ngu n b i nh ng c ng r i r c phía cu i c a ph n t . ấ ồ ở ữ ổ ờ ạ ở ố ủ ầ ử Lớp đệm Teflon được dùng để ả gi m thi u s tác đ ng c a ngón tay lên các anten. ể ự ộ ủ
Hình 3.1 Thiết kế ủ c a anten m ng từng giai đoạn ởả trong (a) 3D, (b) m t phẳng ặ xy và (c) mặt phẳng xz.
3.1.3 Kh ả năng hoạt động ở trong không gian m ở
Ở trong ph n này, nh ng nguyên lý hoầ ữ ạt động và khả năng hoạt động của anten mảng từng giai đoạn được đề xuấ ởt bên trên, s ẽ được mô t . ả
H s phệ ố ản xạ ủa những phần tử anten mảng được trình bày ở Hình 3.2. Băng c thông tr ở kháng đạt 1GHz t i mạ ức 10dB tương ứng đã đượ- c ghi l i. ạ
Hình 3.2 H s ệ ố phản xạ ủ c a các phần tử anten m ng trong nhả ẫn.
S ự khác biệt của các anten không được ghi lại, tuy nhiên, sự khác biệt không vượt quá m c -15dB. ứ
Mỗi một phần tử ở trong mảng có một mẫ u b c x broaứ ạ dside ra khỏi mặt ph ng n n c a nhẳ ề ủ ẫn với HPBW b ng 19.2ằ 0.
Tuy nhiên, b i vì các ph n tở ầ ử anten được phân bố đều quanh nh n, cách nhau ẫ các bước 180, nên là chỉ có các m u bứẫ c x cạ ủa 4 phần tử anten là xếp chồng lên nhau m t cách hiộ ệu quả.
Do đó, nó đã được thi t k trong cùng 1 lúc ch có 4 ph n t cùng v trí có ế ế để ỉ ầ ử ị th ể được kế ợp để ởt h tr thành một mảng.
Ở trong Hình 3.3, nó đã được chọn để cho ph n t 1 đ n 4, và k t h p chúng ầ ử ế ế ợ để ở tr thành m t m ng con. K t qu ộ ả ế ả đạt được là đ lộ ợi đạt m c 9.4dBi. ứ
Hình 3.3 ϕ/độ ớ v i dB t i =90ạ 0.
Để có th ể đạt được m t vùng bao ph toàn di n, thì b 4 ph n t ộ ủ ệ ộ ầ ử được kích ho t s ạ ẽ được quét với lần lượt góc pha t i 100ớ 0.
Sau đó, phầ ử ến t ti p theo trong m ng con s tr ở ả ẽ ở nên được kích ho t, và ph n ạ ầ t ử cuối cùng ở trong mảng s tr nên b ẽ ở ị ngừng kích ho t. ạ
Bằng cách này, vòng trong m ng con g m 4 ph n tả ồ ầ ử ẽ ần lượ s l t ch y vòng ạ quanh chiếc nhẫn. Ví dụ:
M ng con 1: phả ần tử 1-4 M ng con 2: phả ần tử 2-5 M ng con 4: phả ần tử 3-6
Tổng các mẫu quết của mảng được đề xuất thì được tính toán cho tổng cộng 20 m ng con, cho các pha chuy n lả ể ần lượ ừ 10t t 0 n 100đế 0, với các bước 100.
Tổng các mẫu quét đươc thể ện ở hi Hình 3.4.
Hình 3.4 Tổng các m u quét củẫ a mảng anten được đề xu t ấ
Có thể ễ d dàng nh n th y là anten m ng có m t mậ ấ ả ộ ức đ ộbao phủ ấ ở th p trong
vùng từ = 00 n đế = 300. Tuy nhiên, t m bao phầ ủ vô hướng với độ ợ l i lớn hơn
5dBi có th ể được quan sát trong khu vở ực từ = 600 n = 150đế 0.
Điều này được th hiể ện rõ hơn bằng cách quan sát các m u chuy n tia c a các ẫ ể ủ mảng anten đã được chia pha tạ = 90i 0, được mô t t i Hình 3.5. ả ạ
Hình 3.5 Các mẫu chuyển tia c a mủ ảng anten được đềxuất.
Độ ợ l i [ dB i] Độ ợ l i [ dB i]
Để có th nghiên c u kh ể ứ ả năng bao phủ không gian c a m ng anten nhủ ả ẫn được đề xu t, h s bao ph ấ ệ ố ủ đã được tính toán d a vào t ng s mự ổ ố ẫu quét như sau:
H s ệ ố bao phủ cho không gian m cở ủa mảng anten nhẫn được mô t Hình 3.6. ả ở
Hình 3.6 H s bao ph c a m ng anten tronệ ố ủ ủ ả g không gian mở.
Mảng anten nh n được đề xuất có thể bao phủ 70% không gian với độ lợi đạt 7dBi. ẫ 3.1.4 Ảnh hưởng của người dùng.
Tuy nhiên, anten nh n không thẫ ể được kh o sát chả ỉ ở trong không gian mở được. Một điề ấu r t quan trọng là xác định được kh ả năng hoạ đột ng v i s hi n di n ớ ự ệ ệ của người dùng. trong phỞ ần này, 2 trường hợp đã được nghiên c u: ứ
Người dùng ảnh hưởng lên anten – tổn hao đầu cu i, t n hao h p th , và t n ố ổ ấ ụ ổ hao do b che l p. ị ấ
Anten ảnh hư ng lên ngưở ời dùng – Mật độ tổn hao năng lư ng trong các trượ ờng hợp. Luận văn ẽ nghiên cứu và mô phỏng chiếc nhẫn với bàn tay mô phỏng CTIA, s s d ng t ng ngón tay khác nhau cho t ng v ử ụ ừ ừ ị trí đeo nhẫn.
Các vị trí được chọn là: (a) ngón tr , (b) ngón gi a, (c) ngón áp út. ỏ ữ
Hình 3.7 (a) ngón tr . (b) ngón gi a. (cỏ ữ ) ngón áp út
3.1.5 H s ph ệ ố ản xạ
Chúng ta sẽ ch ỉ quan sát hệ ố s ph n xạ ủả c a các phầ ử ản t m ng, t i vì các khoạ ảng tr ng giố ữa các anten là rất nh . ỏ
Độ tách biệt nhỏ hơn -15dBi ở trong không gian mở và với sự có m t cặ ủa người dùng. Các hệ ố s ph n x c a mảả ạ ủ ng anten được mô ph ng v i s hi n di n cỏ ớ ự ệ ệ ủa người dùng có th ể được quan sát trong Hình 3.8. ở
Hình 3.8 Các h s ệ ố phản xạ ủa tấ ả c t c các phần tử anten ở trong setup (a), (b) và (c).
Có thể nhận ra r ng các anten mà chằ ạm vào da con người thì sẽ ho t ạ động không được hi u qu . ệ ả
Ở Hình 3.8 (a), anten 5, 10 và 9 b ch u ị ị ảnh hưởng nhi u nh t do g n ngón ề ấ ở ầ tay người dùng.
Tiếp theo, Hình 3.8 (b), anten 9 và 8 b ch u ở ị ị ảnh hưởng đáng kể ởi ngườ b i dùng trong setup 2, và anten 20 b l ch t n s khi ch u nh ở ị ệ ầ ố ị ả hưởng của tần s cao. ố
Cuối cùng, ở trong Hình 3.8 (c), anten 18, 19 bị chịu ảnh hưởng đáng kể ởi b hi u ệ ứng người dùng, và sự ộng hưởng của anten 17 thì bị thay đổi khi tiế c n đ n tầế n