Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu phát triển anten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm đề xuất một số cấu trúc anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số nhằm cải thiện các tham số như: kích thước, tính đơn giản của cấu trúc anten và mạch phân cực cho diode, hệ số tăng ích, tương hỗ giữa các phần tử trong anten MIMO; Nghiên cứu, đề xuất giải pháp đơn giản để tái cấu hình cho anten PIFA.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu phát triển anten tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Thị Phương Thảo NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ Ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội - 2018
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Vũ Văn Yêm Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Bình Phản biện 2: PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Huy Hoàng Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu anten tái cấu hình Với đặc điểm môi trường kênh vô tuyến luôn luôn thay đổi, các hệ thống thông tin vô tuyến hướng đến các thiết bị thu phát có khả năng thay đổi các tham số nhằm thích nghi với môi trường kênh. Hơn nữa, vấn đề hạn chế phổ tần vô tuyến cũng đang là một thách thức trong điều kiện các thiết bị và ứng dụng không dây phát triển một cách nhanh chóng. Bên cạnh đó, một bộ thu phát cần hoạt động ở nhiều chuẩn tần số để đáp ứng các ứng dụng khác nhau. Khái niệm anten tái cấu hình với khả năng tự thay đổi tần số bức xạ, đồ thị bức xạ, phân cực hoặc kết hợp các tham số trên ra đời nhằm có thể đáp ứng được các yêu cầu trên. Ngoài ra, vấn đề về tăng dung lượng kênh và tốc độ dữ liệu cũng là một đòi hỏi của hệ thống thông tin vô tuyến. Hiện nay, hệ thống đa anten hay còn gọi là anten MIMO được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin vô tuyến. Để kết hợp các ưu điểm của anten MIMO và anten tái cấu hình, anten MIMO tái cấu hình là một giải pháp tiềm năng trong việc tăng cường tính năng thông minh linh hoạt, đa năng và giảm giá thành, kích thước thiết bị của hệ thống vô tuyến kết hợp với tăng dung lượng kênh và tốc độ dữ liệu của đường truyền. 2. Những vấn đề còn tồn tại - Cấu trúc anten còn phức tạp, kích thước anten cần tiếp tục được giảm nhỏ. - Giảm số lượng các phần tử thụ động cho anten tái cấu hình để giảm ảnh hưởng lên anten, đồng thời giảm chi phí. - Việc thiết kề nhiều cấu trúc trong một anten là một thách thức. 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu, đề xuất một số cấu trúc anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số nhằm cải thiện các tham số như: kích thước, tính đơn giản của cấu trúc anten và mạch phân cực cho diode, hệ số tăng ích, tương hỗ giữa các phần tử trong anten MIMO; Nghiên cứu, đề xuất giải pháp đơn giản để tái cấu hình cho anten PIFA. Đối tượng nghiên cứu: Anten tái cấu hình theo tần số; Anten tái cấu hình theo tần số hoạt động đơn băng; Anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số sử dụng chuyển mạch điện tử. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các anten đơn, anten MIMO tái cấu hình theo tần số cho thiết bị đầu cuối trong hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới; Dải tần dưới 10 GHz. 3. Ý nghĩa khoa học của đề tài Về lý luận: Góp phần phát triển về các kiến trúc anten tái cấu hình mới, nhằm tạo ra một anten tái cấu hình có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn có thể đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau ứng dụng trong vô tuyến thế hệ mới; Đưa ra những công bố có giá trị khoa học. Về mặt thực tiễn: 1
- Ứng dụng các kiến trúc anten đề xuất cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới. 4. Những đóng góp chính của luận án Những đóng góp khoa học của luận án gồm: 1. Đề xuất các cấu trúc anten đơn tái cấu hình theo tần số có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản, gồm: - Cấu trúc anten đơn đơn cực tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng sử dụng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử bức xạ - Cấu trúc anten đơn đơn cực tái cấu hình theo tần số áp dụng cấu trúc dây chêm hở mạch cho phần dẫn sóng của anten để điều khiển phối hợp trở kháng 2. Đề xuất kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA bằng cách dịch shorting pin với ưu điểm là đơn giản, có thể áp dụng cho tất cả các cấu trúc anten PIFA, dễ dàng tăng cấu hình tần số lên một số lượng nhất định mà không làm tăng kích thước của anten; đồng thời một cấu trúc anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số áp dụng kỹ thuật này cũng được đề xuất với cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, kích thước phần tử bức xạ nhỏ gọn. 3. Đề xuất cấu trúc anten MIMO tái cấu hình bằng cách thay đổi cấu trúc của anten. Anten MIMO tái cấu hình đề xuất có kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đồng phẳng, đơn giản và giảm tương hỗ giữa các phần tử. Cấu trúc đề xuất không cần sử dụng tụ điện cho mạch phân cực diode giúp anten giảm suy hao. 5. Cấu trúc nội dung của luận án Luận án này gồm có 4 chương. Chương 1 là tổng quan về anten tái cấu hình. Trong chương 2, một thiết kế anten tái cấu hình tần số áp dụng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử bức xạ được đề xuất. Tiếp theo, chương 3 đề xuất một kỹ thuật và hai cấu trúc anten dựa theo kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng của anten. Một thiết kế anten tái cấu hình theo tần số bằng kỹ thuật thay đổi cấu trúc của anten được trình bày ở trong chương 4. Phần cuối cùng của luận án là kết luận và hướng phát triển của đề tài. TỔNG QUAN VỀ ANTEN TÁI CẤU HÌNH 1.1 Giới thiệu chung Anten truyền thống có các thuộc tính như đồ thị bức xạ, băng tần hoạt động hay sự phân cực đều được thiết kế cố định. Đối với anten tái cấu hình, các thuộc tính này của anten có khả năng thay đổi được. Anten tái cấu hình được định nghĩa là anten có khả năng thay đổi đặc tính tần số, đồ thị bức xạ, phân cực hoặc kết hợp các tham số này. 1.2 Ưu nhược điểm của anten tái cấu hình 1.2.1 Ưu điểm Anten tái cấu hình có một số ưu điểm như: giúp giảm kích thước cho thiết bị, cách ly tốt giữa các chuẩn không dây, loại bỏ nhiễu giữa các băng tần không dùng, giảm nhiều giữa các chuẩn không dây... Ngoài ra, anten tái cấu hình có độ linh hoạt cao giúp tiết kiệm phổ tần, tiết kiệm công suất và giảm nhiễu. 2
1.2.2 Nhược điểm Việc thiết kế một cấu trúc anten tái cấu hình sẽ phức tạp hơn. Ngoài ra, nếu số lượng phần tử điện tử tích hợp vào anten quá nhiều sẽ làm cấu trúc anten trở nên phức tạp và tăng suy hao. Việc tích hợp anten tái cấu hình vào hệ thống vô tuyến cũng là một thách thức. 1.3 Các tham số quan trọng của anten liên quan đến hoạt động tái cấu hình 1.3.1 Đáp ứng tần số Đáp ứng tần số của anten được định nghĩa là trở kháng đầu vào của anten theo tần số. 1.3.2 Đặc tính bức xạ Đặc tính bức xạ được thể hiện thông qua đồ thị bức xạ, phân cực của anten chính, độ định hướng và hệ số tăng ích. 1.4 Phân loại anten tái cấu hình Dựa vào sự thay đổi đổi các tham số của anten, anten tái cấu hình được phân loại như sau: - Anten tái cấu hình theo tần số; - Anten tái cấu hình theo đồ thị bức Hình 1.1. Cấu trúc anten xạ; - Anten tái cấu hình theo phân cực; - Anten tái cấu hình kết hợp các loại trên. 1.4.1 Anten tái cấu hình theo tần số Anten tái cấu hình theo tần số được hiểu là tần số cộng hưởng (hay băng tần làm việc) của anten. 1.4.2 Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ Anten tái cấu hình theo đồ thị bức xạ Hình 1.2. Kết quả mô phỏng tham có nghĩa là giản đồ phương hướng của số |S11| của ba cấu hình anten được điều chỉnh theo mong muốn. Luận án đề xuất một anten tái cấu hình sử dụng diode PIN hoạt động ở tần số 5,8 GHz được ứng dụng để thu phí tự động trong hệ thống giao thông thông minh. Cấu trúc anten đề xuất được cho ở Hình 1.1. Anten có thể hoạt động ở ba cấu hình có đồ thị bức xạ khác nhau và cùng chung tần số cộng hưởng như Hình 1.2. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten ở ba cấu hình khác nhau được biểu diễn trên Hình 1.3. 3
Cấu hình 1 Cấu hình 2 Cấu hình 3 Hình 1.3. Đồ thị bức xạ 3D ở ba cấu hình 1.4.3 Anten tái cấu hình theo phân cực Anten tái cấu hình theo phân cực cho phép thay đổi được phân cực của anten, bao gồm phân cực ngang/đứng, phân cực vòng trái hay phải. 1.5 Anten MIMO tái cấu hình Anten MIMO tái cấu hình theo tần số được coi là một giải pháp tiềm năng cho hệ thống thông tin vô tuyến tương lai. 1.6 Ứng dụng của anten tái cấu hình Anten tái cấu hình có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống như: vô tuyến nhận thức, thông tin vệ tinh thế hệ mới, các hệ thống MIMO, hệ thống thông tin di động, hệ thống WLAN, hệ thống giao thông thông minh… 1.7 Các phương pháp tái cấu hình anten 1.7.1 Giới thiệu Dựa vào phương pháp thay đổi cấu trúc của anten, anten tái cấu hình được phân loại như Hình 1.4. Anten tái cấu hình RF-MEMS PIN-Diode Diode quang Biến đổi cấu trúc Sắt, tinh thể lỏng Diode biến dung, FET Điện Quang Vật lý Thay đổi vật liệu Hình 1.4 Các kỹ thuật tái cấu hình anten 1.7.2 Tái cấu hình anten sử dụng phần tử chuyển mạch điện Tái cấu hình anten dựa vào chuyển mạch điện bao gồm PIN diode, FR- MEMS, diode biến dung. Trong đó, PIN diode được sử dụng phổ biến hơn cả bởi tốc độ chuyển mạch cao, giá thành rẻ, độ cách ly tương đối tốt. 1.7.3 Tái cấu hình anten sử dụng phần tử chuyển mạch quang Chuyển mạch quang cũng là một giải pháp cho anten tái cấu hình. Tuy nhiên, chuyển mạch quang yêu cầu hệ thống kích hoạt phức tạp và chi phí đắt nên không được sử dụng phổ biến. 4
1.7.4 Tái cấu hình anten bằng thay đổi cấu trúc vật lý Anten tái cấu hình có thể được thực hiện bằng cách thay đổi cấu trúc vật lý của thành phần bức xạ để thay đổi đặc tính bức xạ. Tuy nhiên, phương pháp này không được sử dụng rộng rãi do nhược điểm của nó là đáp ứng chậm, giá thành cao, kích thước và độ phức tạp của anten tăng do phải sử dụng cơ cấu tái cấu hình vào anten. 1.7.5 Tái cấu hình anten bằng thay đổi vật liệu Anten tái cấu hình có thể sử dụng vật liệu có khả năng thay đổi đặc tính bằng tác động bên ngoài. Các anten tái cấu hình bằng cách thay đổi vật liệu thường bị giảm hiệu suất bức xạ. 1.7.6 Đánh giá các phương pháp tái cấu hình anten Mỗi kỹ thuật được áp dụng cho anten tái cấu hình đều có những ưu nhược điểm riêng. Tuy nhiên, anten tái cấu hình sử dụng các chuyển mạch điện là phổ biến hơn cả bởi nó có nhiều ưu điểm kết hợp. Trong đó, PIN diode có ưu điểm về nguồn cấp điện bé, suy hao thấp, độ cách ly tốt, giá thành rẻ và tốc độ chuyển mạch nhanh nhất trong tất cả các chuyển mạch điện. 1.8. Các kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số 1.8.1 Tái cấu hình anten dùng kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử bức xạ Tái cấu hình anten theo kỹ thuật thay đổi phần tử bức xạ là kỹ thuật phân bố lại dòng bề mặt của anten bằng cách thay đổi hình dạng hay độ dài của phần tử bức xạ của anten trong khi cấu trúc tiếp điện vẫn giữ nguyên. Một cấu trúc anten tái cấu hình theo tần số áp dụng kỹ thuật này được đề xuất trong chương 2 của luận án. 1.8.2 Tái cấu hình anten dùng kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng Tái cấu hình anten theo kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng chính là thay đổi hình dạng phần tử tiếp điện cho anten hay thay đổi trở kháng anten trong khi vẫn giữ nguyên cấu trúc bức xạ. 1.8.3 Tái cấu hình anten theo phương pháp thay đổi cấu trúc anten Ngoài hai kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số như được đề cập ở trên, một phương pháp khác để tái cấu hình anten đó là thay đổi cấu trúc anten. Kỹ thuật này được áp dụng trong anten tái cấu hình theo tần số được đề xuất ở chương 4 của luận án. 1.9 Kết luận chương 1 Chương 1 trình bày tổng quan về anten tái cấu hình, các phương pháp tái cấu hình anten, các kỹ thuật để tái cấu hình anten theo tần số bao gồm kỹ thuật tái cấu hình anten bằng cách điều chỉnh độ dài của phần tử bức xạ, thay đổi mạng phối hợp trở kháng và thay đổi cấu trúc anten. Các kỹ thuật tái cấu hình anten theo tần số là cơ sở để phân tích, thiết kế các anten tái cấu hình được trình bày trong các chương tiếp theo của luận án. 5
ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG KỸ THUẬT THAY ĐỔI CHIỀU DÀI PHẦN TỬ BỨC XẠ 2.1 Giới thiệu chương Chương 2 trình bày một thiết kế anten monopole tái cấu hình theo tần số cấp điện kiểu đồng phẳng với ba cấu hình khác nhau, tạo ra ba băng tần khác nhau với các tần số cộng hưởng là 2,1GHz, 2,6 GHz và 3,3 GHz. Ưu điểm của anten là kích thước nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo. 2.2 Các bước thiết kế anten monople tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng Đầu tiên, một anten đơn cấp điện kiểu đồng phẳng được thiết kế cộng hưởng ở tần số 2,1 GHz. Tiếp theo, bằng cách thay đổi trạng thái của diode nhờ vào nguồn cấp điện một chiều, anten được tính toán để cộng hưởng ở các tần số tiếp theo là 2,6 GHz và 3,3 GHz. 2.3. Thiết kế anten monople tái cấu hình theo tần số cấp điện đồng phẳng 2.3.1 Cấu trúc anten Cấu trúc anten monopole tái cấu hình theo tần số có cấu trúc đối xứng như trên Hình 2.1. 2.3.2 Tính toán kích thước anten Đầu tiên, phần cấp điện CPW cho anten Hình 2.1. Cấu trúc anten được thiết kế. Tiếp theo, kích thước của anten và chiều dài của phần tử bức xạ được tính theo công thức lý thuyết, sau đó được tối ưu bằng phần mềm CST. Kích thước tổng của anten sau khi tối ưu là 24 × 34 × 1,6 𝑚𝑚3 với kích thước chi tiết ở Bảng 2.1. Bảng 2.1. Kích thước chi tiết của anten monopole tái cấu hình theo tần số Tham số W L wf ws a m Giá trị (mm) 24 34 3 3 1 1 Tham số g L1 L2 L3 L4 Lg Giá trị (mm) 0,3 5 9 7,5 16 16 2.4. Nguyên lý hoạt động của anten đơn cực cấp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần số Để tái cấu hình anten, chiều dài của các thanh bức xạ thay đổi bằng cách thay đổi trạng thái chuyển mạch của diode. Chiều dài của thanh bức xạ thay đổi để đạt được ba cấu hình anten khác nhau, gọi là S1, S2 và S3. 6
2.4.2 Phân bố dòng bề mặt Hình 2.2 biểu diễn phân bố dòng bề mặt của anten ở cả ba cấu hình. (a) Cấu hình S1 (b) Cấu hình S2 (c) Câu hình S3 Hình 2.2 Phân bố dòng bề mặt của các thanh bức xạ ở các cấu hình khác nhau 2.5 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm Hình ảnh mẫu anten đề xuất được chế tạo như trong Hình 2.3. Hình 2.4 (a) - (c) là kết quả mô phỏng và đo đạc mô-đun hệ số suy hao phản hồi ở cả ba trạng thái của anten tái cấu hình. Kết quả mô phỏng và đo đạc cho thấy, anten có thể hoạt động ở ba cấu hình tần số khác nhau với tần số cộng hưởng trung tâm là 2,1 GHz, 2,6 GHz, 3,3 GHz. Hình 2.3. Mẫu anten chế tạo (a) Cấu hình S1 (b) Cấu hình S2 (c) Cấu hình S3 Hình 2.4. Kết quả đo và mô phỏng của độ lớn hệ số phản xạ ở ba cấu hình Hình 2.5 (a) - (c) biểu diễn đồ thị bức xạ 2D của anten đề xuất ở 3 cấu hình khác nhau. (a) Cấu hình S1: 2,1 GHz (b) Cấu hình S2: 2,6 GHz 7
(c) Cấu hình S3: 2,1 GHz (d) Cấu hình S3: 2,1 GHz Hình 2.5. Đồ thị bức xạ 2D mặt phẳng XZ và YZ ở ba cấu hình khác nhau 2.6 Kết luận chương 2 Chương 2 trình bày quá trình thiết kế cũng như các kết quả mô phỏng, đo đạc thực nghiệm của anten đơn cấp điện đồng phẳng tái cấu hình theo tần số ứng dụng cho UMTS, LTE và WiMAX. Anten có thể tái cấu hình để hoạt động ở ba cấu hình khác nhau với các tần số cộng hưởng trung tâm là 2,1 GHz, 2,6 GHz và 3,3 GHz. Anten đề xuất có cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn với kích thước tổng là 24 × 34 mm2 . Với cấu trúc này, tần số cộng hưởng của anten có thể được điều chỉnh để hoạt động ở các tần số mong muốn khác. ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ SỬ DỤNG KỸ THUẬT THAY ĐỔI MẠNG PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG 3.1 Giới thiệu chương Chương này đề xuất một kỹ thuật tái cấu hình theo tần số bằng cách thay đổi vị trí “Shorting Pin” (SP) trong anten PIFA dẫn đến thay đổi phối hợp trở kháng cho anten. Đồng thời, một anten MIMO PIFA tái cấu hình theo tần số áp dụng kỹ thuật tái cấu hình này cũng được trình bày. Ngoài ra, một thiết kế anten tái cấu hình theo tần số thứ hai được trình bày trong chương này dựa trên anten đơn cực. Việc tái cấu hình của anten được thực hiện bằng cách áp dụng kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng cho anten kết hợp với hợp với sử dụng thay đổi chiều dài phần tử bức xạ. 3.2 Anten PIFA tái cấu hình theo tần số bằng kỹ thuật dịch SP 3.2.1 Kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA Hình 3.2. Mô hình mạch Hình 3.1. Cấu trúc anen PIFA truyền thống tương đương của anten PIFA Kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA bằng kỹ thuật SP được đề xuất dựa trên nguyên lý khoảng cách giữa SP và cổng cấp điện thay đổi làm thay 8
đổi trở kháng của anten. Điều này được giải thích thông qua mô hình mạch tương đương của một anten PIFA truyền thống như Hình 3.1 và Hình 3.2. Khi thay đổi giá trị jX thì tổng trở kháng của cả hai phần tử song song ở mạch này sẽ thay đổi. Do vậy, trở kháng của anten có thể được điều khiển thông qua khoảng cách giữa cổng cấp điện và SP. Điều này dẫn đến tần số cộng hưởng của anten được điều khiển thông qua vị trí của SP. Hình Hình 3.3. Tần số cộng hưởng 3.3 biểu diễn thần số cộng hưởng của anten thay đổi khi điều chỉnh D thay đổi khi điều chỉnh khoảng cách D đối với một anten PIFA truyền thống. 3.2.2 Các bước thiết kế anten PIFA tái cấu hình theo phương pháp dịch SP z x Đầu tiên, một anten PIFA đơn băng tần cố định được thiết kế. Tiếp theo, trở kháng anten được điều chỉnh thông qua dịch vị trí SP đểY khảo sát tần số cộng hưởng, từ tần số cộng hưởng yêu cầu sẽ xác định được vị trí SP tương ứng. Sau đó, anten đơn tái cấu hình và MIMO tái cấu hình được thiết kế dựa trên kết quả khảo sát. z 3.2.3 Thiết kế anten PIFA đơn có băng tần hoạt động cố định x Y Đầu tiên, một anten đơn PIFA đơn có băng tần cốĐế định Phầnứng điện cho dụng tử Cổng cấp UMTS bức xạ điện được thiết kế như trong Hình 3.4. Kích thước tổng của phần tử bức xạ hình chữ môi nhật là W × L. Giá trị khởi tạo ban đầu L và W được tính toán theo công thức Đường cấp (3.1): điện Đất Đế điện Phần tử Cổng cấp 0 môi bức xạ điện 𝐿+𝑊 = (3.1) 4√𝑒𝑓𝑓 Đường cấp điện Đất z l3 x z x l4 l3 l5 L=21mm Y Y l4 l5 L=21mm s l1 s l1 w w l2 l2 (a) W=15.5mm W=15.5mm (b) 22.5 mm 58 mm Đế điện Đế điện Phần Phầntử tửCổng cấp cấp Cổng môi bức bứcxạxạ điện môi điện 22.5 mm 58 mm 40 mm Mặt phẳng đất Đường cấp Đất 40 mm Đường cấp điện Đường cấp Đất điện điện Mặt phẳng đất Đường cấp (c) l3 (d)điện Hình 3.4. Cấu trúc của anten PIFA băng tần cố định: (a) Cấu trúc tổng thể, (b) l3 l4 l5 L=21mmL=21mm Mặt bên cạnh, (c) Mặt trên (Phần tử bức xạ), (d) Mặt dưới l4 l5 s l1 w 9 s l 2 l1 W=15.5mm w l2 W=15.5mm 22.5 mm 58 mm
Bảng 3.1. Kích thước của anten PIFA băng tần cố định Tham số W L w l1 l2 l3 l4 l5 s Giá trị (mm) 15,5 21 1 11,8 3.5 10 5,3 8,2 1 (a) (b) Hình 3.5. Kết quả mô phỏng của anten PIFA tần số cố định (a) Mô-đun hệ số suy hao phản hồi, (b) Đồ thị bức xạ 2D (mặt phẳng XZ và YZ) Hình 3.5 (a) chỉ ra kết quả mô phỏng tham số |S11| của anten PIFA có băng tần hoạt động cho ứng dụng UMTS. Hình 3.5 (b) là đồ thị bức xạ trên mặt phẳng XZ và YZ ở tần số 2,1 GHz. 3.2.4 Điều khiển tần số cộng hưởng Đối với cấu trúc anten PIFA này, kết quả mô phỏng chỉ ra rằng trở kháng của anten PIFA hay đổi theo khoảng cách giữa vị trí tiếp điện và SP. Hình 3.6. Kết quả mô phỏng mô-đun hệ số Hình 3.6 biểu diễn kết quả mô phỏng suy hao phản hồi khi dịch SP ở các vị trí mô-đun hệ số suy hao phản hồi khi SP khác nhau ở các vị trí khác nhau. 3.2.5 Thiết kế anten PIFA MIMO đơn tái cấu hình theo tần số 3.2.5.1 Thiết kế một phần tử anten PIFA tái cấu hình Anten PIFA đơn tái cấu hình theo tần số có cùng cấu trúc như anten băng tần cố định đề xuất ở mục 3.2.3. Tuy nhiên, thay vì chỉ có một SP, anten đơn tái cấu hình theo tần số có bốn SP, gọi là SP1, SP2, SP3 và SP4, được đặt ở vị trí tương tự như được khảo sát ở bước trên. Hình 3.7 (a), (b) biểu diễn mặt trên và mặt dưới của anten PIFA tái cấu hình theo tần số. Bằng cách chuyển mạch các diode PIN, anten đạt được bốn cấu hình tần số khác nhau. 10
SP2 SP1 :Capacitor x2 = x 3 = x4 = x1 :Diode y4 SP4 Mặt phẳng đất D4 y3 y2 = y1 SP3 D3 SP2 SP1 D1 D2 Tụ điện (a) (b) Hình 3.7. Anten PIFA tái cấu hình theo tần số: (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới :Diode Hình 3.8 là mẫu anten được chế tạo với kích Ground thước của phần tử bức xạ rất bé, chỉ 15,5 × D4 21 mm2. Kết quả mô phỏng và đo đạc mô-đun hệ số suy hao phản hồi của anten tái cấu hình được chỉ ra D3 D1 ở Hình 3.9. Có thể thấy rằng, kết quả mô phỏng và D2 đo đạc khá tương đồng nhau. Tuy nhiên, ở cấu hình S3, tần số cộng hưởng trung tâm đo đạc lệch so với mô phỏng. Nguyên nhân của sự sai lệch này có thể do dây cấp nguồn một chiều được hàn nối thủ công để điều chỉnh trạng thái chuyển mạch cho diode. Khi ứng dụng anten tái cấu hình vào các thiết bị thu phát, Hình 3.8. Mẫu anten PIFA các phần tử gồm diode, tụ điện, dây cấp nguồn một đơn tái cấu hình chiêu và anten phải được tích hợp vào trong một mạch để giảm sai số. Hình 3.9. Kết quả mô phỏng và đo mô-đun hệ số suy hao phản hồi của anten PIFA tái cấu hình theo tần số ở các cấu hình Đồ thị, bức xạ trên mặt phẳng XZ và YZ của anten với bốn cấu hình khác nhau được thể hiện trên Hình 3.10 (a) – (d). 11
(a) (b) (c) (d) Hình 3.10. Đồ thị bức xạ 2D (XZ và YZ) ở bốn cấu hình tương ứng với bốn tần số: (a) 0,85 GHz, (b)1,57 GHz, (c)1,9 GHz, (d) 2,1 GHz 3.2.5.2 Anten MIMO tái cấu hình theo tần số Mục này trình bày một thiết kế anten MIMO PIFA tái cấu hình theo tần số. Anten MIMO gồm hai phần tử anten đơn tái cấu hình như đề xuất trong mục 3.2.5.1. Anten MIMO được đặt cách nhau với khoảng cách giữa hai cổng tiếp điện bằng nửa bước sóng ở tần số 2,1GHz (70 mm) và bằng 0,2 lần bước sóng ở tần số 0,9 GHz theo cách như ở Hình 3.11. Ở tất cả các cấu hình anten đều đạt được độ cách ly tốt giữa hai phần tử, với |S21| < -20 dB ở tất cả các băng tần hoạt động. Hình 3. (a) - (d) biểu diễn kết quả mô đo và mô phỏng của tham số |S11| và |S21|. Bảng 3.3 tóm tắt các thông số của anten MIMO tái cấu hình. 12
Cổng cấp điện Đất Đất d = λ/2 = 70 mm Cổng cấp điện (a)2 × 1 tái cấu hình theo tần số Hình 3.11. Anten PIFA MIMO (a) (b) (c) (d) Hình 3.12. Kết quả đo và mô phỏng tham số S của anten MIMO tái cấu hình lần lượt ở các trạng thái (a) S1, (b) S2, (c) S3, (d) S4 Bảng 3.2. Tóm tắt thông số của anten MIMO tái cấu hình Trạng thái hoạt động S1 S2 S3 S4 Tần số cộng hưởng (GHz) 0,85 1,575 1,9 2,1 Băng thông ở -10 dB (MHz) 125 516 642 534 Hệ số tăng ích cực đại (dBi) -0,9 2,61 3,02 3,56 Hiệu suất bức xạ 40 97 90 95 13
3.2.6 Thảo luận và đánh giá Bằng cách thay đổi vị trí SP dẫn đến khoảng cách giữa SP và cổng tiếp điện thay đổi, tần số cộng hưởng của anten PIFA được điều chỉnh một cách dễ dàng. Kỹ thuật tái cấu hình anten bằng cách thay đổi vị trí SP được đề xuất trong luận án có thể áp dụng cho tất cả các loại anten có cấu trúc PIFA để tái cấu hình cho bất kỳ tần số mong muốn nào. Ngoài tính đơn giản, kỹ thuật này còn cho phép tăng cấu hình lên một số lượng nhất định mà vẫn giữ nguyên kích thước anten và không làm anten trở nên phức tạp hơn. Áp dụng kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA đề xuất, một anten PIFA tái cấu hình theo tần số đã được thiết kế để hoạt động được ở bốn cấu hình khác nhau. Với anten PIFA tái cấu hình đề xuất, kích thước của phần tử bức xạ rất nhỏ gọn và tổng kích thước hoàn toàn phù hợp với các thiết bị như máy tính xách tay, máy tính bảng. 3.3 Anten đơn cực tái cấu hình theo tần số sử dụng kỹ thuật thay đổi mạng phối hợp trở kháng 3.3.1 Các bước thiết kế anten monopole tái cấu hình theo tần số Anten được thiết kế, tính toán tuần tự từng bước. Đầu tiên, anten được thiết kế để hoạt động ở tần số 5,1 GHz, sau đó sử dụng dây chêm điều chỉnh mạng phối hợp kháng để anten cộng hưởng ở các tần số mong muốn khác. 3.3.2.1 Cấu trúc anten Hình 3.13. Cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình Cấu trúc anten tái cấu hình đề xuất như ở Hình 3. với các kích thước chi tiết được thể hiện trong Bảng 3.3. 14
Bảng 3.3. Kích thước chi tiết của anten tái cấu hình (mm) Ws Ls Lg x1 x2 d w 30 40 20 4,5 8,5 9 ws1 ls1 ws2 ls2 we2 le2 3,2 1 11,8 1 16,7 2 18 3.3.2.2 Nguyên lý hoạt động Các cấu hình của anten đạt được bằng cách thay đổi trạng thái của các PIN diode. Anten hoạt động ở bốn cấu hình gọi là S1, S2, S3, S4 khi các trạng thái diode D1, D2, D3 thay đổi như trong Bảng 3.4. Bảng 3.4. Các trạng thái của PIN diode ở các trạng thái Tần số trung Trạng thái D1 D2 D3 tâm (GHz) S NGẮT NGẮT NGẮT 5,1 S2 BẬT NGẮT NGẮT 5,6 S3 NGẮT BẬT NGẮT 2,4 S4 NGẮT BẬT BẬT 3,3 3.3.2.3 Tính toán kích thước anten Anten được tính toán theo lý thuyết, sau đó mô phỏng và tối ưu bằng phần mềm CST. Kết quả tính toán và mô phỏng được so sánh ở bảng Bảng 3.5. Bảng 3.5. So sánh giá trị kích thước tính toán và mô phỏng của anten Giá trị tính Giá trị mô Trạng thái Tham số toán phỏng d 8,1 9 S1 w 3,1 3,2 x1 4 4,5 ws1 tự chọn 1 ls1 12 11,8 we2 Tự chọn 2 S3 le2 18 18 ws2 Tự chọn 1 S4 ls2 16,2 16,7 x2 8,6 8,5 3.3.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm Hình 3. so sánh kết quả đo và kết quả mô phỏng của hệ số phản xạ của anten tái cấu hình đề xuất ở mỗi cấu hình. 15
(a) Cấu hình S1 (b) Cấu hình S2 (c)Cấu hình S3 (d) Cấu hình S4 Hình 3.14. Kết quả đo và mô phỏng của |S11| ở các cấu hình Đồ thị bức xạ phương hướng của anten đơn cực với bốn cấu hình khác nhau tại các tần số 5,1GHz, 5,8 GHz, 3,3 GHz và 2,4 GHz lần lượt được biểu diễn trên hình trên Hình 3. (a), (b). (a) (b) 16
(c) (d) Hình 3.15. Đồ thị bức xạ 2D (XZ, YZ) ở trạng thái: (a) S1, (b) S2, (c) S3, (d) S4 3.3.4 Thảo luận và đánh giá Bảng 3.6. Tổng hợp các tham số của anten đơn cực tái cấu hình đề xuất Tần số cộng Băng Hệ số tăng ích Hiệu suất bức Cấu hình hưởng (GHz) thông (%) (dB) xạ tổng S1 5,1 28 2,8 78 S2 5,8 25 2,2 70 S3 2,4 20 1,5 79 S4 3,3 13 1,4 69 Áp dụng kỹ thuật điều chỉnh mạng phối hợp trở kháng, cụ thể ở đây là thay đổi thành phần dẫn sóng của anten và kết hợp với thay đổi phần tử bức xạ, một cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình theo tần số đã được đề xuất. Anten có thể hoạt động ở bốn cấu hình khác nhau với các tần số cộng hưởng lần lượt là 5,1GHz, 5,8 GHz, 2,4 GHz và 3,3 GHz tương ứng với băng thông đạt 28%, 25%, 20%, 13%. Hệ số tăng ích cực đại của anten ở bốn cấu hình khác nhau lần lượt là 1,5 dBi, 1,4 dBi, 2,8 dBi và 2,2 dBi ở tần số 2,4 GHz, 3,3 GHz, 5,1 GHz và 5,6 GHz. Anten có kích thước nhỏ gọn, chỉ 30 × 40 × 1,6mm3, cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo. 3.4 Kết luận chương 3 Chương 3 đã đề xuất một kỹ thuật tái cấu hình theo tần số cho anten PIFA bằng cách thay đổi mạng phối hợp trở kháng cụ thể là thay đổi vị trí SP của anten PIFA được đề xuất. Áp dụng kỹ thuật đề xuất, một cấu trúc anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số được đề xuất. Bằng cách thay đổi vị trí SP thông qua các chuyển mạch PIN diode, anten có thể hoạt động ở bốn cấu hình khác nhau với tần số khác nhau. Đồng thời, một cấu trúc anten đơn cực tái cấu hình theo tần số áp dụng kết hợp kỹ thuật điều chỉnh mạng phối hợp trở kháng và kỹ thuật thay đổi chiều dài phần tử bức xạ được đề xuất cho ứng dụng WLAN/WiMax. Anten có thể hoạt động được ở bốn cấu hình khác nhau với các tần số cộng hưởng trung tâm lần lượt là 5,1GHz, 5,8 GHz, 2,4 GHz và 3,3 GHz. Ưu điểm của anten là cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo với kích thước nhỏ gọn. Kết quả mô phỏng và đo đạc cho thấy tiềm năng ứng dụng của anten trong hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức trong tương lai. 17
THIẾT KẾ ANTEN TÁI CẤU HÌNH THEO TẦN SỐ BẰNG KỸ THUẬT THAY ĐỔI CẤU TRÚC ANTEN 4.1 Giới thiệu chương Chương 4 đề xuất một thiết kế anten MIMO tái cấu hình theo tần số có thể hoạt như là anten PIFA, anten vòng và anten monopole. Anten MIMO bao gồm hai anten đơn tái cấu hình, mỗi anten đơn sử dụng hai PIN diode ở mặt phẳng đất. Ưu điểm của anten là nhỏ gọn với kích thước của anten MIMO chỉ 51 × 53 × 0,8 𝑚𝑚3, cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo. Đặc biệt, mạch phân cực cho các diode PIN đơn giản, không sử dụng tụ giúp giảm suy hao cho anten. (c) (a) (b) Hình 4.1. Cấu trúc của anten đơn tái cấu hình theo tần số: (a) cấu trúc tổng quan (màu đậm biểu thị phần tử bức xạ ở mặt trước và màu nhạt biểu thị đất và thanh nối ở mặt sau), (b) Mặt dưới với các diode PIN được tích hợp, (c) Phần tử bức xạ ở mặt trên 4.2. Các bước thiết kế anten PIFA MIMO tái cấu hình theo tần số ứng dụng cho UMTS, LTE Các bước thiết kế anten MIMO tái cấu hình cho ứng dụng UMTS/LTE bao gồm các bước sau. Đầu tiên, một anten PIFA được thiết kế hoạt động ở tần số 1,9 GHz. Tiếp theo, các vị trí diode và kích thước của phần tử bức xạ được xác định đặt vào anten để anten chuyển sang cấu hình anten đơn cực khi hoạt động ở tần số 2,6 GHz. Cấu hình cuối cùng, anten hoạt động với cấu trúc dạng vòng ở tần số 2,4 GHz. Độ dài của phần tử bức xạ được tính toán theo lý thuyết và sau đó được tối ưu bằng phần mềm. 18