Luận án Nghiên cứu phát triển hệ Anten băng thông siêu rộng ứng dụng trong điều kiện làm việc đặc biệt

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN . i

LỜI CẢM ƠN . ii

MỤC LỤC . iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . vi

DANH MỤC HÌNH VẼ . viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU . x

MỞ ĐẦU . 1

1. Lý do chọn đề tài . 1

1.1. Công nghệ UWB và hệ thống MIMO . 1

1.2. IoT và xu hướng truyền tin không dây thế hệ mới . 3

1.3. Sự hợp tác giữa VIELINA và SPbPU . 4

2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu . 5

3. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án . 6

4. Cấu trúc nội dung của luận án . 7

CHƯƠNG 1. ANTEN TRONG HỆ THỐNG UWB . 8

1.1. Công nghệ UWB . 8

1.1.1. Tổng quan công nghệ UWB . 8

1.1.2. Mô hình truyền dẫn UWB . 9

1.1.3. Ưu điểm của công nghệ UWB . 11

1.1.4. Ứng dụng của công nghệ UWB . 12

1.2. Anten UWB . 14

1.3. Hệ thống MIMO . 15

1.3.1. Kênh truyền MIMO . 16

1.3.2. Ưu điểm của hệ thống MIMO . 18

1.4. Anten MIMO . 19

1.5. Các nghiên cứu khoa học về anten UWB . 23

1.5.1. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới . 23

1.5.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước . 26

1.6. Hướng nghiên cứu của luận án . 29

1.7. Kết luận chương I . 30

CHƯƠNG 2. PHÁT TRIỂN ANTEN UWB ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN

TIN TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẶC BIỆT . 32

2.1. Cơ sở thiết kế Anten cho hệ thống . 32

2.1.1. Lựa chọn hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt . 32

2.1.2. Yêu cầu kỹ thuật của anten thu và anten phát . 34

2.2. Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten phát . 37

2.2.1. Thiết kế anten . 37

2.2.2. Tính toán, mô phỏng anten . 39

2.2.3. Chế tạo và đo kiểm anten . 42

2.3. Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten thu . 43

2.3.1. Thiết kế anten . 43

2.3.2. Tính toán, mô phỏng anten . 46

2.3.3. Chế tạo và đo kiểm anten . 49

2.4. Kết quả thử nghiệm hệ thống . 52

2.4.1. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm . 52

2.4.2. Thử nghiệm thực tế tại xí nghiệp đầu máy xe lửa Hà Nội . 57

2.5. Kết luận chương II . 59

CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN ANTEN UWB-MIMO SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS . 61

3.1 Hệ thống truyền tin UWB-MIMO trong điều kiện đặc biệt . 61

3.2 Một số kỹ thuật giảm ảnh hưởng tương hỗ và tăng cường độ cách ly cho

Anten UWB-MIMO . 61

3.2.1 Thay đổi vị trí và hướng đặt anten . 62

3.2.2 Sử dụng mạng cách ly . 63

3.2.3 Sử dụng cấu trúc siêu vật liệu . 63

3.2.4 Sử dụng phần tử ký sinh . 64

3.2.5 Sử dụng phương pháp mặt đế không hoàn hảo DGS . 66

3.3 Đề xuất thiết kế cấu trúc DGS . 67

3.3.1 Nguyên lý hoạt động của cấu trúc DGS . 67

3.3.2 Thiết kế cấu trúc DGS . 70

3.4 Đánh giá hiệu quả cách ly của cấu trúc DGS . 72

3.4.1 Thiết kế anten sử dụng cấu trúc DGS . 72

3.4.2 Mô phỏng anten và khảo sát cấu trúc DGS . 73

3.4.3 Đánh giá hiệu quả cách ly của cấu trúc DGS dùng đường vi dải . 75

3.4.4 Chế tạo và đo kiểm . 76

3.5 Thiết kế anten UWB-MIMO sử dụng cấu trúc DGS đề xuất . 79

3.6 Kết luận chương III . 87

KẾT LUẬN . 89

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 92

PHỤ LỤC I: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG KỸ THUẬT

ĐỘNG CƠ . 102

1. Yêu cầu hệ thống. 102

1.1. Các thông số giám sát và lựa chọn cảm biến . 102

1.2. Các vị trí lắp đặt. 102

2. Mô hình hệ thống . 104

PHỤ LỤC II: QUY TRÌNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, ĐO KIỂM ANTEN . 106

1. Tổng quan quy trình thiết kế, mô phỏng và đo kiểm anten. 106

2. Quy trình thiết kế anten . 106

3. Quy trình chế tạo anten. 107

4. Quy trình đo kiểm anten . 109

4.1. Đo phối hợp trở kháng . 110

4.2. Đo phương hướng trong buồng không phản xạ (Anechoic Chamber) . 111

4.3. Đo độ lợi G . 112

4.4. Đo phân cực . 112

pdf124 trang | Chia sẻ: vietdoc2 | Ngày: 27/11/2023 | Lượt xem: 200 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu phát triển hệ Anten băng thông siêu rộng ứng dụng trong điều kiện làm việc đặc biệt, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ng nói chung và anten phát cho hệ thống nói riêng. • Thứ nhất, đó là các yêu cầu về kích thước của anten gắn trên đối tượng giám sát phải nhỏ gọn để thuận lợi lắp đặt và tránh rung động khi hoạt động. • Thứ hai, do môi trường nhiệt độ rất cao có thể lên tới hàng trăm độ C. Để anten hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao, vật liệu chế tạo mạch in cho hệ thống nói chung và anten nói riêng cần phải lựa chọn loại riêng biệt. • Thứ ba, việc thiết lập hệ thống truyền tin không dây trong môi trường nghiên cứu cũng gặp nhiều khó khăn bởi nhiễu gây ra do các thiết bị công nghiệp và các vật thể bằng kim loại ở nhiều vị trí khác nhau, vì vậy anten phát được thiết kế vô hướng để dễ dàng tiếp cận bộ thu theo các hướng khác nhau • Thứ tư, anten UWB phải đạt được một băng thông siêu rộng, trong khi đó vẫn phải duy trì được hiệu suất bức xạ cao trên băng tần hoạt động. 2.1.2.3. Yêu cầu kỹ thuật của anten thu Về nguyên tắc anten phát và anten thu có thể sử dụng anten siêu rộng với các kiểu khác nhau tùy theo bài toán và tần số yêu cầu cụ thể. Tuy nhiên như đã phân tích trong Chương I, hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt lựa chọn kỹ thuật kỹ thuật I-UWB tức là sử dụng dạng xung rất nhỏ (cỡ ns) để truyền tin, do đó khi thiết kế anten thu ta cần lưu ý đến sự ảnh hưởng tới dạng xung. Các công trình [107], [70] cho thấy, trong cùng một dải thông và tần số thì mỗi loại anten đều có ảnh hưởng khác nhau tới độ dài xung và dạng xung truyền qua. Cũng theo các công trình nghiên cứu này, loại anten gây biến dạng xung nhiều nhất là anten dạng xoắn trong khi đó loại anten định hướng như anten dạng loa cùng với các loại anten biến thể của nó ít gây biến dạng xung nhất. Từ những phân tích đó, lựa chọn loại anten thu phù hợp cũng là một yêu cầu kỹ thuật bắt buộc. Theo các yêu cầu phân tích của hệ thống, anten thu cần đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật như sau: • Băng tần hoạt động từ 3 GHz đến 8GHz. • Kích thước tổng thể rộng, cao, dài không quá 10-15 cm. • Định hướng với độ lợi cao. • Không bị phân tán pha. • Phối hợp trở kháng tốt trên toàn bộ dải tần hoạt động. Chương II 37 • Không yêu cầu sử dụng thiết bị cân bằng và phối hợp riêng biệt. 2.2. Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten phát 2.2.1. Thiết kế anten Xuyên suốt quá trình thiết kế, hai thông số rất quan trọng, có ý nghĩa nhất đối với anten vi dải băng thông siêu rộng là hệ số phản xạ (𝑆11) và đồ thị bức xạ phương hướng. Hệ số phản xạ phải nhỏ hơn hoặc bằng mức −10dB và anten bức xạ đẳng hướng. Quá trình thiết kế và phân tích được thực hiện theo những bước sau đây: a) Xem xét các yêu cầu kỹ thuật của anten để lựa chọn anten thích hợp Anten vi dải dạng tấm có thể được tích hợp cho các thiết bị di động sử dụng công nghệ băng thông siêu rộng. Mô hình anten vi dải thiết kế là một anten đơn cực bức xạ đẳng hướng với kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản và được sản xuất bằng công nghệ mạch in nên giá thành rẻ. Như đã phân tích ở trên về các yêu cầu kỹ thuật của anten UWB cho hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt, mô hình thiết kế sử dụng anten vi dải được lựa chọn. b) Chọn vật liệu chế tạo anten Để anten hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao, vật liệu chế tạo mạch in cho hệ thống nói chung và anten nói riêng cần phải lựa chọn loại riêng biệt. Tiêu biểu có thể kể đến vật liệu TMM4 do Rogers sản xuất, đây là vật liệu chuyên dụng cho các ứng dụng sóng điện từ hoạt động trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt [108]. Chi tiết các giá trị tham số của vật liệu TMM4 được trình bày trong Bảng 2-2. Bảng 2-2. Chi tiết các tham số của vật liệu Rogers TMM4 Tham số Giá trị Độ dẫn nhiệt (Thermal Conductivity) 0,70 W/m/K Hằng số điện môi 𝜀𝑟 4,50 Hệ số nhiệt của 𝜀𝑟 (Trong dải -55 đến 125 0C) 14 ppm/K Hệ số nở nhiệt (Trong dải 0 đến 1400C) 16 (Theo truc X, Y),21 (Theo trục Z) Độ dày 1,524mm c) Chọn nguyên lý tạo anten băng rộng thích hợp để thiết kế. Trên thực tế, các nhà thiết kế có thể sử dụng rất nhiều kỹ thuật khác nhau để tạo băng rộng cho anten. Tuy nhiên về mặt lý thuyết, có 3 nguyên lý cơ bản để tạo băng rộng cho anten: nguyên lý biến đổi từ từ, nguyên lý tương tự, nguyên lý tự bù [109]. Chương II 38 Nguyên lý biến đổi từ từ: Anten được xem như là một thiết bị chuyển tiếp giữa hệ thống fi-đơ tiếp điện và môi trường truyền sóng (không gian tự do), biến đổi sóng điện từ ràng buộc trong fi-đơ thành sóng tự do trong không gian. Vì vậy để giảm nhỏ sự phụ thuộc của trở kháng anten vào tần số, bản thân anten cần có dạng kết cấu chuyển tiếp (ở đây kết cấu chuyển tiếp là các đường uốn cong tròn từ đường truyền mạch dải hoặc các đường gẫy khúc mở đều ra từ ống dẫn sóng đồng phẳng 1 góc bằng 60°), nghĩa là kích thước của nó cần được biến đổi một cách từ từ. Khi đó trở kháng sóng của đoạn chuyển tiếp sẽ không đổi và sẽ không xuất hiện sóng phản xạ. Sóng điện từ truyền trong fi-đơ từ dạng sóng phẳng được chuyển dần thành sóng cầu, tràn ra không gian bên ngoài thành sóng bức xạ. Nguyên lý tương tự: Anten băng rộng hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự là anten có cấu trúc gồm nhiều vùng bức xạ với kích thước hình học của các vùng bức xạ biến đổi theo bước sóng với cùng một tỷ lệ. Khi kích thước hình học và bước sóng hoạt động cùng biến đổi với tỷ lệ giống nhau thì trở kháng vào, đặc tính bức xạ của anten sẽ không đổi và do đó anten sẽ hoạt động ở vùng tần số rộng. Ví dụ điển hình của anten băng rộng hoạt động theo nguyên lý tương tự là anten Loga chu kỳ. Nguyên lý tự bù: Dựa trên nguyên lý Babinet, tích của trở kháng vào của anten và trở kháng vào của cấu trúc phần bù của nó là một hằng số. Do vậy, khi cấu trúc một anten giống hệt với phần bù của nó thì trở kháng vào của anten sẽ không phụ thuộc tần số tức là anten có khả năng hoạt động ở dải rộng. Anten có cấu trúc như mô tả ở trên được gọi là anten dải rộng hoạt động theo nguyên lý tự bù. Ví dụ điển hình của anten băng rộng hoạt động theo nguyên lý tự bù là anten xoắn phẳng. Trong mô hình thiết kế anten vi dải băng thông siêu rộng ở chương này, nguyên lý biến đổi từ từ được nghiên cứu sinh sử dụng để tạo băng thông rộng. Bằng cách chế tạo phiến kim loại bao gồm các đường gẫy khúc; hoặc sử dụng các đường uốn cong tròn sẽ tạo nên cấu trúc biến đổi từ từ, từ đường tiếp điện ra miếng bức xạ của anten. d) Chọn phương pháp tiếp điện thích hợp Trong quá trình thiết kế anten, lựa chọn phương pháp tiếp điện cho anten là một bước quan trọng. Đối với anten vi dải, có 3 cách tiếp điện thông dụng là: tiếp điện bằng cáp đồng trục, tiếp điện bằng đường truyền vi dải, tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng. Lựa chọn phương pháp tiếp điện phù hợp để có thể dễ dàng phối hợp trở kháng giữa đường truyền và anten. Ngoài ra, cách tiếp điện cho anten cũng góp phần đáng kể quyết định đến Chương II 39 kích thước và thuộc tính của anten. Trong các mô hình anten được thiết kế, cấu trúc tiếp điện bằng cáp đồng trục được nghiên cứu sinh sử dụng [110]. 2.2.2. Tính toán, mô phỏng anten Như đã phân tích ở phần trước, anten vi dải thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin UWB vì nhỏ gọn và có khả năng tích hợp cao. Trong đó phổ biến nhất là các anten đơn cực. Các kích thước cùng hằng số điện môi và kĩ thuật tiếp điện của anten là những vấn đề quan trọng trong việc thiết kế anten nói chung và anten vi dải nói riêng. Thay đổi hằng số điện môi, điều chỉnh vị trí tiếp điện cùng việc tính toán các thông số kĩ thuật trên cơ sở lý thuyết để đưa ra các kích thước ban đầu cho việc thiết kế anten chỉ mang tính ước lượng. Từ các thông số này ta sẽ đưa ra các thông số tối ưu bằng cách sử dụng các công cụ mô phỏng anten để kiểm tra và đo đạc như CST. Các thông số lý thuyết ban đầu của anten vi dải [109]: Tần số làm việc: 𝑓 = 𝑐 2𝐿√𝜀𝑟 (2.2) Trường bức xạ: 𝐸𝜃 = sin ( 𝑘𝑊𝑠𝑖𝑛𝜃𝑠𝑖𝑛𝜑 2 ) 𝑘𝑊𝑠𝑖𝑛𝜃𝑠𝑖𝑛𝜑 2 cos ( 𝑘𝐿 2 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜑) 𝑐𝑜𝑠𝜑 (2.3) 𝐸𝜑 = sin ( 𝑘𝑊𝑠𝑖𝑛𝜃𝑠𝑖𝑛𝜑 2 ) 𝑘𝑊𝑠𝑖𝑛𝜃𝑠𝑖𝑛𝜑 2 cos ( 𝑘𝐿 2 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜑) 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑖𝑛𝜑 (2.4) Hàm tính hướng: 𝑓(𝜃, 𝜑) = √𝐸𝜃 2 + 𝐸𝜑2 (2.5) Với L và W là chiều dài và chiều rộng mặt bức xạ, c là vận tốc ánh sáng và 𝜀𝑟 là hằng số điện môi của lớp điện môi. Dễ nhận thấy khi tần số không thay đổi thì kích thước của anten ảnh hưởng bởi hằng số điện môi. Qua quá trình hiệu chỉnh các kích thước của anten trên phần mềm thiết kế và mô phỏng CST nhằm đạt được các yêu cầu đã đặt ra, nghiên cứu sinh đưa ra một mẫu anten tham chiếu có hình dạng như Hình 2.2 Chương II 40 Hình 2.2. Kích thước anten phát được thiết kế Thiết kế được nghiên cứu sinh đề xuất là một anten đơn cực dạng hình chữ nhật sửa đổi được in trên một đế điện môi. Phần tử bức xạ của anten được in trên một mặt của đế điện môi và được tiếp điện bằng đầu SMA vuông góc nối với cáp đồng trục. Không giống như anten vi dải thông thường, phần mặt đế không được che phủ hoàn toàn bởi lớp kím loại mà được sửa đổi để mở rộng băng thông theo phương án được công bố tại các công trình [111] [112]. Sau khi tính toán được kích thước, nghiên cứu sinh tiến hành mô phỏng đồ thị bức xạ của anten trong mặt phẳng E cũng như độ lợi của anten như sau: Tần số 3GHz Tần số 4GHz Tần số 5GHz 30 32 Ø1.5 Ø4 32 30 31 5 22.5 15 13 А Lớp điện môi Lớp kim loại Y X O Y X O Y Z O Mặt trên Mặt dưới Mặt cạnh Chương II 41 Tần số 6GHz Tần số 7GHz Tần số 8GHz Hình 2.3. Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten phát theo tần số trong mặt phẳng E (yOz) Kết quả mô phỏng cho thấy, trong mặt E, anten có bức xạ đẳng hướng theo phương vuông góc với mặt phẳng anten. Hướng cực đại của búp song chính thay đổi theo tần số. Trong khoảng 3-8 GHz ăng ten có bức xạ thể hiện tính hướng ngày càng tăng và thiên về hướng xuống phía dưới (góc từ 0 – 1800). Điều này được đưa vào xem xét để tối ưu hướng lắp đặt anten trong các thử nghiệm hệ thống thực tế. Hình 2.4. Đồ thị bức xạ của anten phát UWB tại tần số 3,5GHz Chương II 42 Hình 2.5. Mô phỏng độ lợi của anten phát theo tần số Độ lợi của anten xác định trong mô phỏng tại tần số điển hình 3,5GHz là tương đối tốt với giá trị đạt 3,6 dBi với hiệu xuất bức xạ đạt 82%. Thông thường với anten đơn cực, độ lợi có thể đạt đến khoảng 4 dBi. Mẫu anten thiết kế với kích thước nhỏ gọn và băng thông siêu rộng, nên giá trị độ lợi đạt được 3,6 dBi là hoàn toàn chấp nhận được và đáp ứng được yêu cầu để sử dụng làm anten phát cho hệ thống truyền tin. 2.2.3. Chế tạo và đo kiểm anten Sau khi kết quả mô phỏng đáp ứng được yêu cầu của bài toán thiết kế. Nghiên cứu sinh thực hiện chế tạo anten để đo kiểm, đánh giá cụ thể anten phát theo các thông số như trên. a) Mặt trên b) Mặt dưới Hình 2.6. Mẫu chế tạo của anten phát UWB Chương II 43 Kết quả mô phỏng và mẫu đo thực tế băng tần làm việc của anten được thể hiện trong Hình 2.7. Hình 2.7. Kết quả đo băng thông của anten UWB Kết quả mô phỏng và mẫu thử nghiệm có tần số cộng hưởng đầu tiên là trùng nhau, ở khoảng 1 GHz. Ở các tần số cao hơn, có sự sai khác về giá trị của hệ số 𝑆11. Điều này có thể lý giải bởi công nghệ chế tạo còn gặp nhiều sai số. Ngoài ra do kích thước của anten là tương đối nhỏ nên cáp đo cũng làm ảnh hưởng đến bức xạ của anten. Tuy nhiên, nhìn chung, băng tần hoạt động của anten trong mô phỏng và mẫu đo thực tế đều cho thấy anten có dải tần hoạt động rất rộng (Từ 3GHz đến trên 8GHz), do đó anten chế tạo đáp ứng được yêu cầu làm anten phát cho hệ thống. 2.3. Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten thu 2.3.1. Thiết kế anten Mục tiêu đặt ra là thiết kế một anten thu nhận tín hiệu băng siêu rộng trong hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt. Như đã phân tích tại chương I, anten loa TEM (Transverse Electromagnetic) đã được sử dụng làm anten thu phát băng rộng cho các ứng dụng khác nhau. Loại anten này có ưu điểm là băng rộng, không phân tán, độ định hướng cao và dễ dàng chế tạo. 2.3.1.1. Cơ sở khoa học Một anten loa thông thường có cấu trúc như Hình 2.8 Chương II 44 a) b) Hình 2.8. Cấu trúc anten loa Đối với anten loa E, điều kiện tối ưu ứng với 𝜃 = 𝜋 2⁄ . Khi đó kích thước tối ưu là 𝑅 = 𝐵2 2⁄ , hiệu suất bức xạ đạt 0,64 và độ rộng của đồ thì phương hướng bức xạ trong mặt phẳng E bằng 2𝜃1 2⁄ ≈ 56 𝑜𝜆 𝐵⁄ [113] (Trang 478). Như vậy, với anten loa thông thường, mỗi góc mở tối ưu ta có một kích thước ứng một tần số làm việc với hiệu suất bức xạ tốt nhất. Đây là anten làm việc với dải tần không rộng. Với anten TEM băng rộng, chúng thường có hình dạng tam giác để có cấu trúc tuyến tính để mở rộng băng thông [114] [115] [116]. Ngoài ra, các công thức phân tích và thiết kế cũng như phương pháp tính toán trở kháng đặc trưng của anten loa TEM được trình bày tại công trình [117]. Đặc biệt, trong [118], Boryssenko và các cộng sự đã đề xuất một thiết kế dựa trên một anten có độ phân tán thấp có mặt phát xạ xung băng rộng đặc biệt. Anten này được hình thành bởi hai tấm kim loại song song dần dần tách ra theo hai hướng ngược nhau đóng vai trò là mặt phản xạ (Reflector), mặt phát xung nằm ở giữa được gọi là “Tongue” đóng vai trò là mặt phát xạ, (Hình 2.9b). a) b) Hình 2.9. Anten loa TEM cổ điển (a) và Anten loa “Tongue” TEM (b). Chương II 45 Thiết kế anten này sử dụng nguyên lý của một mặt bức xạ băng rộng và hoạt động như một bộ chuyển đổi được phối hợp trở kháng tốt trên băng rộng, để dòng kích thích tại cổng chuyển thành trường bức xạ tại mặt mở của anten và tạo ra năng lượng bức xạ trong không gian theo một mật độ mong muốn. Bộ chuyển đổi này được tạo ra bởi hai tấm phẳng dạng tam giác có đáy mở rộng dần, có cấu trúc hình học thích hợp theo nguyên lý anten TEM. Cụ thể, tấm thứ nhất, kích thước lớn hơn, được gọi là "tấm phản xạ". Tấm thứ hai, kích thước nhỏ hơn, được gọi là "lưỡi", và là bộ phận bức xạ sóng điện từ. 2.3.1.2. Cấu trúc anten thu đã cải tiến Để anten bức xạ băng rộng (UWB) nghiên cứu sinh đề xuất sử dụng 2 mặt loa E dạng cong. Với mặt loa cong, ta sẽ nhận được vô số đường tiếp tuyến với bề mặt, có được nhiều góc θ tối ưu, phù hợp với nhiều bước sóng khác nhau, nếu đồng thời thay đổi kích thước B tối ưu, anten có thể làm việc được với dải tần rất rộng. Tuy nhiên, điểm khác của nhóm nghiên cứu sinh thực hiện so với các công bố trước là hai mặt cong được tính toán theo hàm e mũ và anten được phối hợp trở kháng tốt trong dải tần rộng nhờ một mặt bức xạ được thiết kế đặc biệt dạng lưỡi tam giác, đáy có độ rộng B tối ưu tương ứng với bước sóng 10cm (tần số 3GHz), được tính toán theo công thức 2.6 và được nghiên cứu sinh đo đạc thực nghiệm và công bố trong luận án và bài báo khoa học. 𝑑(𝑥) = 2 {𝑎. 𝑒𝑏𝑥} 0 ≤ 𝑥 ≤ 𝐿 (2.6) Với L là chiều cao của anten loa và a, b là các hằng số cần xác định (Mặt bức xạ được thiết kế dạng lưỡi tam giác, kích thước đáy giảm dần khi lên đỉnh để phù hợp với các tần số cao hơn, lên tới 8 GHz). Dải tần (3 – 8) GHz là dải tần được lựa chọn cho sản phẩm hợp tác giữa VIELINA và SPbPU (cơ sở để hình thành Luận án). Đặc biệt, giải pháp mới được nghiên cứu sinh sử dụng là nối đất tấm phát xạ, như vậy toàn bộ mặt phẳng phía dưới (mặt phẳng đất) vẫn xem là anten loa, dẫn tới nối dài được kích thước phần bức xạ anten (anten được gắn trên tấm giá đỡ kích thước rộng). Do đó anten được tính toán giảm nhỏ kích thước mà vẫn đảm bảo băng thông rộng. Ngoài ra, thiết kế này cũng giúp kết cấu anten vững chắc hơn do tấm lưỡi được giữ cố định, mặt đáy của anten được bắt trực tiếp vào giá đỡ giúp đảm bảo độ cong của tấm lưỡi không bị biến dạng. Đảm bảo anten hoạt động tốt trong điều kiện đặc biệt, có rung xóc. Chương II 46 2.3.2. Tính toán, mô phỏng anten Trên cơ sở thiết kế đã nêu, thông số anten lần lượt kiểm tra thông qua phần mềm mô phỏng (phần mềm CST Studio). Kích thước tổng thể của anten là 140 x 80 x 100mm (Dài x Rộng x Cao). Anten được chế tạo từ vật liệu đồng thau có độ dày 1mm. Đặc biệt, 02 đường cong tối ưu được thể hiện trong Hình 2.10. Độ cong 02 đường cong được hình thành từ 10 điểm kích thước trên hệ tọa độ 0xy được tính toán thực nghiệm theo công thức 2.6 và hiệu chỉnh bằng phần mềm mô phỏng CST. Một số lưu ý trong quá trình thiết kế anten thu như sau: • Tấm phản xạ tấm phát xạ được gắn cố định ở bên ngoài vào mặt đế bằng các vít và đai ốc M3 (8 chiếc). • Đầu dây nối trung tâm được đưa vào lỗ ở cuối của tấm phát xạ và đóng kín ở phía bên kia. Khoảng cách giữa tấm phát xạ và tấm phản xạ trong khu vực kết nối của đầu nối là 2 - 3 mm, và hình dạng của các đường cong của tấm phản xạ và tấm phát xạ được tính toán điều chính tối ưu trong quá trình mô phỏng và đo đạc thực thế. • Việc cấp điện cho anten được thể hiện trong Hình 2.11 thông qua đầu nối cáp đồng trục UHF 50-Ω được gắn từ mặt sau của nó, mặt đế được hàn với tấm phản xạ, và đầu trục của cáp được nối với tấm bức xạ. Chương II 47 Hình 2.10. Bảng kích thước tối ưu của các tham số đường cong Hình 2.11. Tấm phản xạ của anten thu thiết kế Hình 2.12. Mặt đế anten thu thiết kế Hình 2.13. Tấm bức xạ của anten thu thiết kế Chương II 48 Hình 2.14. Mô phỏng đồ thị phương hướng của anten thu thiết kế tại 4.5GHz. Tần số 3GHz Tần số 4GHz Tần số 5GHz Tần số 6GHz Tần số 7GHz Tần số 8GHz Hình 2.15. Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten thu theo tần số trong mặt phẳng E (Oyz). Chương II 49 Tần số 3GHz Tần số 4GHz Tần số 5GHz Tần số 6GHz Tần số 7GHz Tần số 8GHz Hình 2.16. Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten thu theo tần số trong mặt phẳng H (Oxy). Như kết quả mô phỏng, trong mặt phẳng H, hướng cực đại của búp song chính thay đổi theo tần số. Tuy nhiên, trong khoảng 3-6 GHz những thay đổi này là không đáng kể và tối đa không vượt quá giới hạn của khu vực từ 10 đến 15 độ trong góc φ trong dải âm (sơ đồ là hơi nghiêng xuống dưới). Mô phỏng bức xạ của anten cũng cho thấy hiệu suất rất tốt là 97% và đạt được độ lợi cao (từ 7-12 dBi ở tần số 3GHz và các tần số cao hơn). Như đã phân tích tại mục 2.1.2, anten thu có độ lợi tăng tỉ lệ thuận với tần số hoạt động điều này góp phần giảm tổn hao và tăng độ tin cậy cho hệ thống. 2.3.3. Chế tạo và đo kiểm anten Sau khi kết quả mô phỏng đáp ứng được yêu cầu của bài toán thiết kế. Nghiên cứu sinh thực hiện chế tạo anten để đo kiểm, đánh giá cụ thể theo các thông số mô phỏng như trên. Chương II 50 Hình 2.17. Mô hình mô phỏng a) và hình ảnh chế tạo thực tế b) Kết quả mô phỏng và đo lường được trình bày trong Hình 2.17 cho thấy sự tương ứng tốt giữa mô phỏng và chế tạo thực thế. Anten có băng tần hoạt động lớn từ 3GHz đến 8 GHz. Hình 2.18. Kết quả mô phỏng và đo lường thực tế tham số 𝑆11 Các giá trị thực tế đo kiểm thấp hơn một chút so với kết quả mô phỏng như trong Hình 2.18, Hình 2.19 và Hình 2.20. Điều này có thể giải thích do có sự sai số trong quá trình gia công cơ khí chế tạo anten Hình 2.19. Độ rộng búp sóng 3dB theo tần số của anten thu trong mặt phẳng H 20 40 60 80 100 120 140 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Đ ộ f, GHz Mô phỏng Đo thực tế Chương II 51 Hình 2.20. Độ rộng búp sóng 3dB theo tần số của anten thu trong mặt phẳng E Hình 2.21. Độ lợi của anten thu. Các đặc điểm chính của anten: • Kích thước (Rộng x Sâu x Cao): 140х80х100 (mm) • Hệ số phản xạ 𝑆11: trong phạm vi từ 1GHz – 8GHz, không lớn hơn -10dB. • Phân cực: tuyến tính, dọc. • Hiệu suất anten: 97% • Độ lợi: khoảng 1-8 GHz, dBi: 1-12. Kết quả đo kiểm anten thu được so sánh với các kết quả công bố trong Bảng 2-3 30 80 130 180 230 280 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Đ ộ f, GHz Đo thực tế Mô phỏng -1 1 3 5 7 9 11 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 G , d B f, GHz Mô phỏng Đo thực tế Chương II 52 Bảng 2-3. So sánh kết quả với các nghiên cứu tương đương Tham số [118] [119] [117] [120] Đề xuất Kích thước (mm) (Rộng x Cao x Dài) 30x80x70 74x74x60 240x360x460 120x66x38 80x100x140 Băng thông 2 – 8GHz 2 - 14 GHz 0,28 - 1,75GHz 3,1– 13GHz 1 – 8GHz Độ lợi tại tần số trung tâm (dBi) 0 8 10 8 9 Độ lợi toàn băng (dBi) -2 - 0 4 - 12 3 - 12 4-12 1 - 13 Kết quả thể hiện trong bảng 2-8 cho thấy, mẫu anten thu đề xuất có kích thước nhỏ gọn và thu được băng thông tương đối và độ lợi tốt, tương đương với các nghiên cứu liên quan. Với băng thông tương đối ~ 200% và độ lợi xung quanh tần số trung tâm đạt cỡ 9dBi. So sánh với mẫu anten trong [118], đây là thiết kế gốc mà nghiên cứu sinh tham khảo. Kích thước của anten đề xuất nhỏ hơn (0,26𝜆 so với 0,56𝜆 tại tần số thấp nhất). Bên cạnh đó, độ lợi của anten đề xuất trong bài báo tăng đáng kể so với thiết kế gốc (9dBi so với 0dBi). Hơn nữa, các kết quả này hoàn toàn có thể có thể được cải thiện thông qua việc thực hiện tối ưu các kích thước của anten cũng như áp dụng các kỹ thuật cải thiện hiệu suất. Tóm lại, anten thu được thiết kế đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt. Mặc dù tần số thấp của anten thiết kế được mở rộng so với yêu cầu ban đầu là từ 3GHz xuống 1GHz, điều này không ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống vì hệ thống xử lý tín hiệu thu phát đã lọc hết tín hiệu ngoài dải tần hoạt động thiết kế. bằng chứng là hệ thống thu phát chạy ổn định như kết quả thử nghiệm tại mục 2.4. Hơn nữa, anten thu có thể được coi là một thiết kế hoàn toàn độc lập, phù hợp với nhiều ứng dụng UWB khác nhau. Từ thiết kế của anten thu này người thiết kế có thể dễ dàng phát triển các biến thể của nó với các đặc tính khác nhau và có thể dễ dàng thu nhỏ hoặc phóng lớn để chuyển đổi sang tần số cao hơn và thấp hơn. 2.4. Kết quả thử nghiệm hệ thống 2.4.1. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm Mục tiêu của thử nghiệm là nhằm đánh giá khả năng truyền tin của hệ thống UWB trong môi trường đặc biệt sử dụng anten thu và anten phát đã thiết kế chế tạo. Cụ thể là đánh giá tính năng, độ tin cậy, ổn định, khả năng chống nhiễu của toàn bộ hệ thống trong phòng thí nghiệm tại VIELINA. Chương II 53 Hình 2.22. Mô hình thử nghiệm hệ thống UWB. Có 03 trường hợp thử nghiệm được đưa ra để kiểm tra độ tin cậy của hệ thống: - Trường hợp 1 - Đánh giá sai số truyền tin: Truyền thông có dây trực tiếp giữa bộ thu và phát không sử dụng anten thiết kế - Trường hợp 2 – Chưa có nhiễu: Truyền thông không dây sử dụng anten thiết kế trên tầm nhìn thẳng không vật cản - Trường hợp 3 – Có nhiễu: Truyền thông không dây sử dụng anten thiết kế có vật chắn kim loại, nguồn nhiệt điện và bộ phát WIFI băng tần kép (2,4GHz và 5Ghz) tạo nhiễu. Chi tiết các thiết bị thử nghiệm: - Nguồn cung cấp 24Vdc, điều chỉnh được - Nguồn nhiệt điện VIELINA.TEG.01 - 04 bộ phát UWB + anten phát - Oscilloscope Agilent Technologies DSO9104A - Máy phân tích phổ RSA5115B - 01 bộ thu: anten thu + LNA + ED + D-trigger - 01 Module FPGA Artix-7 - 01 máy tính PC + phần mềm thu thập, hiển thị số liệu - Bộ WIFI TP-LINK Archer C1200 công suất phát lớn nhất 1W Với khoảng cách thu phát là 5m. Nghiên cứu sinh thực hiện 05 bài kiểm tra khác nhau để kiểm tra và đánh giá tính năng, độ tin cậy, ổn định, khả năng chống nhiễu của toàn bộ Chương II 54 hệ thống. Tỷ lệ truyền thành công của cả 03 trường hợp đã nêu thể hiện tại Bảng 2-9 của luận án. Cụ thể như sau: 2.4.1.1. Kiểm tra dữ liệu truyền Việc kiểm tra dữ liệu truyền được thực hiện trên cả 03 trường hợp đã nêu, nghiên cứu sinh thiết lập các thông tin cố định trong gói tin vật lý, như sau. ID = «0001» Data = «001000110» CRC = «10000110» Kết quả kiểm tra tại đầu vào FPGA bằng oscilloscope được trình bày như trên hình sau, qua đó ta thấy số liệu truyền và nhận giống nhau. Theo dõi số liệu trên máy tính ta cũng có được kết quả đúng với số liệu truyền giả lập. Lặp lại thí nghiệm trên nhiều lần với các thông tin khác nhau đều có kết quả truyền thông tốt. Như vậy có thể khẳng định dữ liệu truyền qua hệ thống có dây và 02 trường hợp không dây đều không có sự khác biệt. Hình 2.23. Kiểm tra dữ liệu gói tin 2.4.1.2. Kiểm tra xung UWB và phổ Thiết lập thí nghiệm trên trường hợp số 2, khoảng cách giữa anten phát và anten thu là 5 mét. Tốc độ ghi của oscilloscope được thiết lập là 1 Gs/s. Trước tiên, nghiên cứu sinh ghi lại hình dạng của xung UWB phát đi, như chúng ta có thể thấy thời gian xung UWB nhỏ hơn 10 ns, và phổ của nó như đươc thấy trong hình 2.22. Từ đồ thị phổ, ta thấy tín hiệu UWB của chúng ta có tần số trung tâm là 4,2GHz. Cũng theo đồ thị phổ ta ước tính tỷ số độ rộng băng tần là FB = [(6-2)/4,2]*100% = 95%, mật độ phổ không vượt quá -41,3 dBm/MHz, vậy thỏa mãn yêu cầu của FCC về tín hiệu UWB. Chương II 55 Hình 2.24. Xung UWB phát đi Sau đó, nghiên cứu sinh ghi lại hình dạng của xung UWB nhận được sau anten thu, ta thấy hình dạng xung tương đương bên bộ phát đồng thời có biên độ xung cỡ 60mV, với mức biên độ như vậy thì hoàn toàn đảm bảo cho các mạch

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_phat_trien_he_anten_bang_thong_sieu_rong.pdf
  • pdfCV đăng tải luận án trên trang BGDĐT.pdf
  • pdfDanh mục các công trình công bố của NCS Đặng Anh Tuấn_compressed (1).pdf
  • docxLuanDiemMoi_TiengAnh.docx
  • docxLuanDiemMoi_TiengViet.docx
  • pdfTóm tắt Luận án NCS Đặng Anh Tuấn.pdf
Tài liệu liên quan