Đồ Án Phân tích và thiết kế anten đa đầu vào đa đầu ra băng thông siêu rộng

Lời nói đầu
Trong truyền thông nói chung thì có hai vấn đề cần phải quan tâm đó là: tốc độ dữ liệu và độ tin cậy truyền tin. Với truyền thông không dây thì hai vấn đề này là quan trọng hơn cả và mọi thiết kế đều phải dựa trên hai thông số này làm sao cho tốc độ dữ liệu ngày càng tăng và độ tin cậy ngày càng cao. Trong truyền thông không dây thì có hai hiện tượng gây trở ngại cho hệ thống của chúng ta đó là: Fading và giao thoa giữa các ký hiệu. Do đó, để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu thì cần phải có băng thông lớn nhưng điều này bị hạn chế vì dải tần số là một tài nguyên khan hiếm. Đồng thời, muốn chất lượng tín hiệu được cải thiện và giảm ảnh hưởng của phading thì máy phát phải đạt được công suất đủ lớn hoặc tăng kích thước anten để duy trì hiệu suất bức xạ; tuy nhiên, đối với những thiết bị di động cầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay có kích thước nhỏ gọn thì không thể áp dụng phương pháp này được. Hiện nay, hệ thống anten sử dụng nhiều phần tử bức xạ ở cả phía phát và phía thu hay còn gọi là kĩ thuật đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) đã được ứng dụng trong kĩ thuật anten. Nó đem lại nhiều ưu thế về chất lượng truyền tín hiệu cũng như tốc độ truyền tải dữ liệu. Kĩ thuật MIMO ra đời nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm trên trong hệ thống thông tin vô tuyến.
Băng thông rộng không còn là một điều mới mẻ trong thông tin di động nữa, mà nó trở thành một đặc điểm thiết yếu trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ như: truyền hình chất lượng cao, truyền hình di động, Internet băng thông rộng, game trực tuyến, giải trí đa phương tiện hay giao tiếp giữa các thiết bị trong khoảng cách ngắn. Một giải pháp được đưa ra là sử dụng các thiết bị hoạt động ở một dải tần siêu rộng từ 3.1Ghz đến 10.6Ghz, gọi là dải tần siêu rộng (UWB). Đây là dải tần không phải đăng kí và đã có các tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thống UWB hoàn chỉnh. Tuy nhiên. nhu cầu con người không ngừng gia tăng và trong tương lai không xa khi băng tần của hệ thống UWB không còn phù hợp nữa thì công nghệ mới phải ra đời. Khi đó, công nghệ Extremely Wide-band (EWB) sẽ là hướng đi mới phù hợp với tiến trình phát triển của thời đại. Công nghệ này với dải tần hoạt động cực kỳ rộng từ vài GHz đến vài chục GHz sẽ được áp dụng cho những thiết bị đầu cuối vô tuyến đa băng tần. Với dải tần bao trùm toàn bộ băng tần của các hệ thống như: WLAN, WiMAX, UWB thì anten EWB hoàn toàn có thể được sử dụng để hoạt động trong nhiều băng tần với nhiều hệ thống khác nhau.
Cùng với đó việc thiết kế anten EWB cho hệ thống MIMO sẽ gặp nhiều thách thức và trở ngại. Vấn đề đầu tiên đặt ra là kích thước của anten phải nhỏ gọn đạt được yêu cầu của các nhà sản xuất thiết bị di động khi tích hợp vào sản phẩm của họ. Hơn nữa, trong hệ thống nhiều phần tử bức xạ, ảnh hưởng tưỡng hỗ giữa chúng là đáng kể, hiện tượng này cần phải được giảm thiểu để nâng cao độ ổn định và hiệu suất bức xạ của hệ thống. Anten vi dải là một loại anten có nhiều ưu điểm thỏa mãn được các yêu cầu đặt ra ở trên: nhỏ gọn, có thể tích hợp được trên nhiều bề mặt khác nhau, dễ chế tạo, rẻ tiền. Vì vậy, nhiệm vụ đặt ra là thiết kế anten vi dải ứng dụng trong hệ thống đa đầu vào đa đầu ra băng thông siêu rộng.

Tóm tắt đồ án
Khi kĩ thuật đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) được ứng dụng cho anten băng thông siêu rộng, nó đem lại cho hệ thống khả năng truyền tải một khối lượng dữ liệu lớn hơn mặc dù không có sự mở rộng về băng thông. Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống này gặp phải nhiều khó khăn trong việc giảm ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử bức xạ mà tác động của nó tới chất lượng tín hiệu là đáng kể.
Mục đích của đồ án này là nghiên cứu và thiết kế mô hình anten vi dải làm việc ở dải tần siêu rộng từ xấp xỉ 2.7Ghz đến 20Ghz. Đồng thời kết hợp với kĩ thuật MIMO, tính toán, đánh giá và tìm cách giảm thiểu tác dụng tương hỗ giữa các anten để từ đó có thể chế tạo thử nghiệm. Trên thực tế, tôi đã tiến hành thiết kế thành công mô hình cho mức độ tương hỗ giữa các anten thành phần thỏa mãn yêu cầu đặt ra, trong đó, các thông số truyền đạt, đồ thị bức xạ phương hướng và đặc biệt là kích thước hệ thống đã được tối ưu. Trong mô hình tôi đề xuất, hệ hai anten nằm trên cùng một đế bán dẫn và ở cũng một mặt. Với hai phiến bức xạ kim loại được cấu tạo bởi những đường gấp khúc hoạt động như một cấu trúc biến đổi đều có tác dụng làm tăng băng thông mà băng thông của anten MIMO hoạt động ở dải tần số rất rộng từ 2,7 GHz đến 20 GHz. Để giảm tác động tương hỗ giữa các phần tử anten đơn thì cấu trúc hai stub được thêm vào giữa hai phiến bức xạ. Cuối cùng, nhờ vào kích thước nhỏ, anten được đề xuất có thể tích hợp vào các thiết bị di động cầm tay.

AbstractOnce the Miltiple-input Multipe-output technology is applied in the field of Ultra Wideband antena technique, this will offer the ability of data transmitting with a huge amount of capacity though the bandwidth of the channel is limited. However, in the process of designing this system, we could suffer the problem in reducing the mutual coupling proportion between antenna elements so that the signals in the operating system can’t be interfered.
The aim of this project is a method of designing and simulating an antenna model which operates at the extremely wide band of frequency from 2.7 Ghz to 20 Ghz after finishing the process. In addition, by futher development with Multi input Multi output, the antenna system with much higher effeciency will be offered. The caculation, analysis, estimation of the system can be difficult because of the effect of mutual coupling between antenna elements. After reseaching deeper of antenna field, I did success of producing a model which has a low mutual coupling, low return loss, omnidirectional radiation partern and the optimum dimensions of the system. In the proposed system, MIMO model is constructed by placing two single antennas side by side. With the radiation patchs is structured by broken lines for producing a gradually variant structure to increase bandwidth, the designed antenna satisfies the voltage standing wave ratio (VSWR) requirement of less than 2.0 in an extremely wide frequency band ranging from 2.7 GHz to 20 GHz. To reduce mutual coupling to be used in diversity antenna environment, two stubs are added between two patches. And then, this antenna can be intergrated in lots of handheld devices because of its compact dimensions.




Mục lục

Lời nói đầu. 1
Tóm tắt đồ án. 3
Abstract. 4
Danh sách các hình vẽ. 8
Danh sách các bảng biểu. 10
Bảng danh sách các từ viết tắt và đối chiếu thuật ngữ Anh Việt. 11
Phần mở đầu. 14
Chương 1 Giới thiệu. 16
1.1 Hiện trạng của bài toán. 16
1.2 Động lực phát triển. 18
1.3 Hướng đi mới trong tương lai 19
1.4 Kết quả mong đợi 19
Chương 2 Công nghệ băng thông siêu rộng và hệ thống đa đầu vào đa đầu ra. 21
2.1 Công nghệ băng thông siêu rộng Ultra Wideband. 21
2.1.1 Lịch sử công nghệ băng thông siêu rộng. 21
2.1.2 Đặc điểm chính của công nghệ băng thông siêu rộng. 22
2.1.3 So sánh các công nghệ truyền thông wireless đã có. 25
2.1.4 Các ứng dụng của công nghệ UWB 27
2.1.4.1 Ứng dụng về radar. 27
2.1.4.2 Ứng dụng về truyền thông tốc độ cao. 28
2.1.4.3 Một số anten đã được ứng dụng trên thực tế để thiết kết anten UWB 28
2.1.5 Kết luận. 31
2.2 Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO 31
2.2.1 Định nghĩa và đặc điểm 31
2.2.2 Những hạn chế của kênh truyền không dây. 32
2.2.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO 34
2.2.4 Hệ thống đa ănten và ảnh hưởng tương hỗ. 35
2.2.4.1 Giới thiệu hệ thống đa anten. 35
2.2.4.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến hệ anten MIMO 37
2.2.5 Kĩ thuật phân tập anten. 39
2.2.5.1 Giới thiệu về kĩ thuật phân tập anten. 39
2.2.5.2 Các phương pháp phân tập. 39
2.2.6 Kết luận. 41
Chương 3 Thiết kế anten với phần mềm HFSS. 42
3.1 Lý thuyết cơ bản trường điện từ. 42
3.1.1 Phương trình Maxwell và các điều kiện biên. 42
3.1.2 Các phương trình thế. 43
3.1.3 Các điều kiện biên. 48
3.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). 50
3.2.1 Khái niệm 50
3.2.2 Nội dung. 50
3.2.3 Ứng dụng. 51
3.3 Phần mềm mô phỏng Ansoft HFSS. 51
3.3.1 Giới thiệu. 51
3.3.2 Mô phỏng. 52
a. Phương pháp phần tử hữu hạn. 52
b. Tính toán. 53
c. Sơ đồ khối thực hiện mô phỏng. 56
Chương 4 Thiết kế anten vi dải băng thông siêu rộng áp dụng kĩ thuật MIMO 57
4.1 Quá trình thiết kế và phân tích. 57
4.1.1 Thiết kế anten đơn. 61
4.1.1.1 Mô hình anten. 61
4.1.1.2 Kết quả mô phỏng và đo đạc. 63
4.1.1.3 Phân tích mô hình anten đơn. 67
4.1.1.4 Mô hình chế tạo của các anten. 72
4.1.2 Hệ thống anten MIMO 73
4.1.2.1 Mô hình anten. 73
4.1.2.2 Kết quả. 73
4.1.2.3 Nhận xét và đánh giá. 76
4.2 Kết luận. 83
Kết luận chung. 84
Tài liệu tham khảo. 85


Danh sách các hình vẽ
Hình 1. 1 Các ứng dụng của công nghệ UWB 17
Hình 2. 1 Tổng quan công nghệ băng thông siêu rộng. 23
Hình 2. 2 Mặt nạ phổ công suất cho UWB trong nhà. 24
Hình 2. 3 Mặt nạ phổ công suất cho UWB ngoài trời 24
Hình 2. 4 Phân chia dải tần trong UWB 24
Hình 2. 5 So sánh về khoảng cách tương tác và tốc độ truyền dữ liệu. 25
Hình 2. 6 So sánh về độ rộng băng tần và mật độ phổ công suất 26
Hình 2. 7 Các ứng dụng point to multipoint của UWB 29
Hình 2. 8 Hệ thống MIMO 32
Hình 2. 9 Mô hình MMA(a) và MEA (b). 35
Hình 2. 10 Các nguyên nhân gây tương hỗ. 36
Hình 2. 11 Các quá trình gây nhiễu giữa liên chấn tử. 37
Hình 2. 12 Hàm tương quan giữa các anten thành phần như là hàm của khoảng cách theo bước sóng 38
Hình 3. 1 Điều kiện biên của E và B 48
Hình 3. 2 Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS: (a) thành các tam giác trên bề mặt, (b) thành các tứ diện trong không gian ba chiều. 53
Hình 3. 3 Mô hình mô phỏng. 56
Hình 4. 1 Kết cấu biến đổi từ từ. 59
Hình 4. 2 Cấu tạo của ống dẫn sóng đồng phẳng. 60
Hình 4. 3 Mode sóng truyền trong CPW . 60
Hình 4. 4 Kích thước anten EWB đơn. 62
Hình 4. 5 Công cụ tính toán trở kháng CPW . 63
Hình 4. 6 Tỉ số sóng đứng của anten (VSWR). 64
Hình 4. 7 Đồ thị phương hướng bức xạ tọa độ cực tại (a) 3GHz, (b) 10 GHz, (c) 7.5GHz và (d) 15GHz 65
Hình 4. 8 Đồ thị phương hướng bức xạ trong không gian ba chiều tại (a): 7.5GHz và (b): 10GHz 65
Hình 4. 9 Hệ số tăng ích của anten đơn. 66
Hình 4. 10 Mật độ dòng bề mặt: a) 10 Ghz, b) 5Ghz, c)15GHz và d)20GHz. 66
Hình 4. 11 Sự thay đổi hệ số tổn hao ngược theo góc mở của kết cấu chuyển tiếp. 67
Hình 4. 12 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hệ số tổn hao ngược theo chiều dài của ống dẫn đồng phẳng 68
Hình 4. 13 Anten với cấu trúc khe. 69
Hình 4. 14 Tỉ số sóng đứng với cấu trúc khe dùng loại bỏ băng tần cho (a) WLAN và (b) WiMAX 70
Hình 4. 15 Đồ thị bức xạ của anten vơi cấu trúc khe loại bỏ băng tần WLAN tại (a) 3GHz, (b) 10GHz, (c) 7.5GHz và (d) 15GHz. 71
Hình 4. 16 Hệ số tăng ích đỉnh của hai mô hình anten không có cấu trúc khe (a) và có cấu trúc khe (b) 72
Hình 4. 17 Sản phẩm anten EWB 72
Hình 4. 18 Mô hình anten MIMO 73
Hình 4. 19 Tỉ số sóng đứng của các anten. 74
Hình 4. 20 Tham số S12&S21 của hai mô hình MIMO 75
Hình 4. 21 Đồ thị bức xạ phương hướng ở tần số 10GHz tại (a) Anten đơn, (b) Anten MIMO, (c) Anten MIMO loại bỏ băng tần WLAN 75
Hình 4. 22 Đồ thị phương hướng bức xạ trong không gian ba chiều của mô hình MIMO loại bỏ băng tần WLAN tại (a) 7.5GHz và (b) 15GHz. 76
Hình 4. 23 Mô hình anten ghép nối tiếp. 77
Hình 4. 24 S11 và S21 của anten ghép nối tiếp cách nhau. 77
Hình 4. 25 Mô hình anten ghép nối tiếp sử dụng Stub. 78
Hình 4. 26 S11 và S21 của anten ghép nối tiếp với cấu trúc Stub. 79
Hình 4. 27 Mật độ dòng điện tại 10 GHz của mô hình MIMO có Stub. 79
Hình 4. 28 Mật độ dòng điện của (a) mô hình MIMO không có Stub và (b) mô hình MIMO có Stub 80
Hình 4. 29 Hệ số tổn hao ngược khi thay đổi chiều dài khe chữ V ngược. 81
Hình 4. 30 Hệ số tổn hao trong mô hình MIMO với cấu trúc khe chữ V ngược. 81
Hình 4. 31 Đồ thị bức xạ phương hướng của anten MIMO với cấu trúc khe tại (a) 5GHz, (b) 6.2 GHz 82
Hình 4. 32 Mật độ dòng bề mặt: a) 5.9 Ghz b) 10Ghz. 82
Hình 4. 33 Hệ số tăng ích của (a) anten MIMO và (b) anten MIMO loại bỏ băng tần. 83





Danh sách các bảng biểu
BẢNG 2. 1 BẢNG SO SÁNH THÔNG SỐ 26
BẢNG 2. 2 CÁC ĐẶC ĐIỂM YÊU CẦU ĐỐI VỚI ANTEN UWB CỦA THIẾT BỊ DI ĐỘNG 29
BẢNG 4. 1 KÍCH THƯỚC CÁC KHE DÙNG ĐỂ LOẠI BỎ BĂNG TẦN CỦA HỆ THỐNG WLAN VÀ WiMAX 70

Phần mở đầu

Trong thập kỉ qua, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc và không ngừng tiến tới của công nghệ truyền thông. Các thiết bị ngày càng được cải tiến nâng cấp tiến dần tới sự hoàn thiện về thiết kế, tính năng cũng như tốc độ xử lý tín hiệu. Do đó việc giao tiếp giữa các thiết bị là một điều kiện không thể thiếu trong một hệ thống đòi hỏi tính ứng dụng cao và mềm dẻo trong nhiều hoàn cảnh khác nhau. Hãy hình dung rằng chiếc máy tính để bàn của bạn hoàn toàn không dây, tất cả các thành phần của nó liên lạc với nhau bằng công nghệ không giây tốc độ cao hay bạn chỉ cần một vài giây để tải một bộ phim lên đến vài Gbs xuống thiết bị cầm tay như điện thoại di động
Công nghệ UWB ra đời nhằm thỏa mãn những yêu cầu như vậy. Thêm vào đó, với sự kết hợp của nền tảng MIMO, hệ thống MIMO UWB đem lại cho công nghệ truyền thông những ứng dụng mang tính đột phá về tốc độ. Nhưng trong tương lai không xa khi mà các ứng dụng không dây đòi hỏi tốc độ truyền lớn hơn, băng thông cũng đòi hỏi cao hơn thì hiển nhiên yêu cầu mới về công nghệ sẽ được đạt ra và công nghệ Extremely Wide-band (EWB) với dải tần hoạt động lớn hơn rất nhiều sẽ đáp ứng được những nhu cầu trên. Theo đó, anten là một yếu tố vô cùng quan trọng trong một hệ thống hoàn chỉnh, nó là thiết bị chung gian chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng điện từ mang thông tin lan truyền trong không gian và ngược lại. Vậy, bài toàn đặt ra là thiết kế một hệ thống anten MIMO EWB thỏa mãn được những yêu cầu kĩ thuật theo các tiêu chuẩn chung cùng với việc giảm kích thước để hệ thống này có thể được tích hợp trên các thiết bị di động nhỏ gọn.
Trong phạm vi đồ án này, tôi trình bày làm 4 chương:
Ở chương I sẽ giới thiệu chung về hiện trạng công nghệ hiện nay, động lực phát triển, hướng đi mới trong tương lai và kết quả mong muốn đạt được trong thiết kế anten cho công nghệ băng thông siêu rộng.
Đến chương II, những kiến thức tổng quan về công nghệ băng thông siêu rộng và hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) sẽ được trình bày.
Những lý thyết, kiến thức về phương trình Maxwell, điều kiện biên và phần mềm mô phỏng HFSS được đề cập đến ở chương III.
Cuối cùng, mô hình các anten được đề xuất để phân tích và thiết kế, cũng như các kết quả mô phỏng, đo đạc sẽ được trình bày chi tiết trong chương IV.