Thiết kế anten phân cực tròn băng thông rộng - Đại học Quy Nhơn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐẶNG VĂN TRUNG THIẾT KẾ ANTEN PHÂN CỰC TRÒN, BĂNG THÔNG RỘNG, ĐỘ LỢI LỚN SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIÊU BỀ MẶT CHO HỆ THỐNG 5G ĐỀ ÁN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Bình Định, năm 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐẶNG VĂN TRUNG THIẾT KẾ ANTEN PHÂN CỰC TRÒN, BĂNG THÔNG RỘNG, ĐỘ LỢI LỚN SỬ DỤNG CẤU TRÚC SIÊU BỀ MẶT CHO HỆ THỐNG 5G Ngành: Kỹ thuật Viễn Thông Mã số: 8520208 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. ĐẶNG THỊ TỪ MỸ Bình Định, năm 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong đề án này là thành quả thực hiện nghiên cứu của bản thân tôi dựa trên các nguồn tài liệu tham khảo, các kết quả thiết kế và mô phỏng chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các thông tin trích dẫn trong đề án là trung thực, được chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả đề án Đặng Văn Trung ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề án tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và hỗ trợ quý báu từ quý Thầy, Cô hướng dẫn.

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Đặng Thị Từ Mỹ đã dành nhiều thời gian, tâm huyết để trực tiếp hướng dẫn khoa học, định hướng, góp ý cho tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành Đề án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành Đề án. Bình Định, ngày tháng năm 2024 Tác giả Đặng Văn Trung iii MỤC LỤC MỤC LỤC.

iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .vi MỤC LỤC HÌNH ẢNH .vii DANH MỤC BẢNG. Tính cấp thiết. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài. Mục tiêu nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ANTEN VI DẢI .1 Giới thiệu chương .2 Đặc tính của Anten vi dải .3 Ưu nhược điểm và ứng dụng của Anten vi dải .2 Nhược điểm .4 Các loại Anten vi dải .1 Anten patch vi dải .2 Anten lưỡng cực vi dải .3 Anten khe mạch in (Print Slot Antenna) .4 Anten vi dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna) .5 Hoạt động của anten vi dải .6 Mô hình đường truyền (Transmission line model) .1 Hiệu ứng viền (Fringing Effects) .2 Chiều dài hiệu dụng, tần số cộng hưởng và chiều rộng hiệu dụng .4 Trở kháng vào tại tần số cộng hưởng .7 Mô hình hốc cộng hưởng .1 Các mode trường – TMx .2 Trường bức xạ của anten vi dải .8 Các thông số khác .2 Hiệu suất bức xạ .3 Băng thông và độ lợi .9 Điện dẫn tương hổ giữa hai patch anten vi dải đặt gần nhau .10 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten vi dải.1 Tiếp điện bằng đường truyền vi dải .2 Tiếp điện bằng probe đồng trục .3 Tiếp điện dùng phương pháp ghép khe .4 Tiếp điện dùng phương pháp ghép gần .11 Kết luận chương.

CÁC KỸ THUẬT THIẾT KẾ ANTEN PHÂN CỰC TRÒN, BĂNG THÔNG RỘNG, ĐỘ LỢI LỚN VÀ CẤU TRÚC SIÊU BỀ MẶT .1 Giới thiệu chương. Các kỹ thuật tạo phân cực tròn. Kỹ thuật cắt vát tấm patch để tạo phân cực tròn. Kỹ thuật tiếp điện kép tạo phân cực tròn.

Sử dụng phần tử xoay được trong không gian. Các kỹ thuật mở rộng băng thông. Tăng độ dày lớp nền. Tiếp điện bằng phương pháp ghép khe (Aperture coupled feed).

Tiếp điện bằng phương pháp ghép gần (Proximity Coupled). Ghép các tấm patch đơn để tạo cộng hưởng. Ghép nối tấm patch thông qua bức xạ các cạnh bên. Ghép nối tấm patch thông qua các cạnh không bức xạ.

Ghép nối tấm patch thông qua tất cả các cạnh bên. Ghép nối tạo cộng hưởng hình tròn vòng khuyên. Các kỹ thuật nâng cao độ lợi. Sử dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ (Metamaterial).

Sử dụng cấu trúc bề mặt nhằm tối ưu bức xạ. Loại bỏ một phần lớp điện môi. Sử dụng cấu trúc siêu bề mặt. Kết luận chương.

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ANTEN PHÂN CỰC TRÒN, BĂNG THÔNG RỘNG, ĐỘ LỢI LỚN CHO HỆ THỐNG 5G. Giới thiệu chương. Chỉ tiêu và quy trình thiết kế. Chỉ tiêu thiết kế.

Quy trình thiết kế. Thiết kế anten lưỡng cực. Thiết kế cấu trúc siêu bề mặt. Thiết kế anten lưỡng cực kết hợp với mảng MS.

Đánh giá kết quả thiết kế và mô phỏng. Kết luận chương. 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 67 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.

69 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AMC Artificial magnetic conductor Vật dẫn từ nhân tạo AR Axial Ratio Tỷ số trục ARBW Axial Radio Bandwidth Băng thông tỷ số trục BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CP Circular Polarization Phân cực tròn CPW Coplanar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn điện từ FSS Frequency selecting surface Bề mặt chọn lọc tần số GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động GSM Communication toàn cầu LP Linear Polarization Phân cực tuyến tính ME Modal Expansion Mở rộng chế độ ME diploe Magneto-electric dipole Lưỡng cực điện từ MS Metasurface Siêu bề mặt MSA Microstrip Antenna Anten vi dải TE Transverse Electric Điện ngang VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng điện áp vii MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Anten vi dải. Các dạng anten vi dải thông dụng. Hoạt động của anten vi dải.

Sóng phản xạ của anten vi dải. Hiệu ứng viền trong anten vi dải. Hằng số điện môi hiệu dụng. Chiều dài vật lý và chiều dài hiệu dụng miếng patch .8: Patch chữ nhật và mạch tương đương trong mô hình đường truyền.

Thay đổi vị trí điểm feed để có trở kháng vào phù hợp. Phân bố điện tích và dòng điện. Phân tích mô hình anten vi dải trên trục tọa độ. Sắp xếp anten vi dải trong mặt phẳng E và H.

Tiếp điện dùng đường truyền vi dải. Tiếp điện dùng cáp đồng trục. Tiếp điện dùng phương pháp ghép khe. Tiếp điện dùng phương pháp ghép gần.

Phương pháp cắt vát tấm patch. Phương pháp tiếp điện kép. Phương pháp tiếp điện kép sử dụng bộ ghép coupler. Phương pháp xoay phần tử tuần tự.

Tỷ lệ tăng băng thông khi thay đổi độ dày lớp nền của anten vi dải. Cấu trúc tiếp điện dùng phương pháp ghép khe – Aperture coupled. Các hình dạng khác nhau được sử dụng cho khe ghép: (a). hình chữ nhật mỏng, (b).

hình chữ nhật dài hơn, (c). hình chữ nhật rộng hơn, (d). viii hình nơ và (f). hình đồng hồ cát.

Cấu trúc tiếp điện dùng phương pháp ghép gần – Proximity Coupled. Hệ số phản xạ S11 của anten vi dải sử dụng ghép nối tiếp điện Microtripline [28]. Mở rộng băng thông bằng cách thực hiện ghép nối thêm 1 tấm patch để cộng hưởng tại tần số f1, f2 gần nhau [27]. Anten vi dải được ghép với hai phần tử patch cộng hưởng ở lớp bức xạ thông qua các cạnh bức xạ (a), cấu trúc liên kết anten (b)[31].

Anten vi dải được ghép với hai tấm patch (2), (3) ở lớp bức xạ thông qua các cạnh không bức xạ. Cấu trúc cộng hưởng (a), Biểu đồ VSWR (b)[27]. Anten vi dải được ghép nối với bốn phần tử patch cộng hưởng ở lớp bức xạ thông qua cả các cạnh bức xạ và không bức xạ. Cấu trúc ghép nối (a).

Cấu trúc anten hình tròn, cộng hưởng qua vòng hình khuyên [32]. Sử dụng cấu trúc siêu vật liệu điện từ trong lớp điện môi. Sử dụng chốt rút ngắn trong thiết kế. Sử dụng cấu trúc bề mặt nhằm tối ưu bức xạ.

Loại bỏ một phần lớp điện môi trong thiết kế. Phương pháp chuyển đối phân cực tuyến tính – tròn sử dụng siêu bề mặt [1]. Mô hình anten sử dụng cấu trúc siêu bề mặt 2 lớp [24]. Mô hình anten lưỡng cực: (a) nhìn từ trên (top view) và (b) nhìn ngang.

Kết quả mô phỏng anten lưỡng cực với chiều dài Ld theo. Mô hình anten lưỡng cực đặt phía trên tấm đế kim loại một khoảng Hgnd: (a) nhìn từ trên và (b) nhìn ngang. Kết quả mô phỏng anten lưỡng cực đặt phía trên tấm đế kim loại một ix khoảng Hgnd bằng 10 (mm): (a) Hệ số phản xạ S11, (b) Độ lợi, (c) Tỷ số trục. Mô hình phần tử MS: (a) dạng thông thường, (b) dạng vát góc.

Kết quả mô phỏng pha phản xạ của phần tử MS dạng thông thường và dạng vát góc. Anten lưỡng cực kết hợp MS 5×5 tấm patch hình vuông: (a) nhìn từ trên và (b) nhìn ngang. Kết quả mô phỏng đặc tính bức xạ của anten lưỡng cực kết hợp mảng siêu bề mặt thông thường: (a) Hệ số phản xạ S11, (b) Độ lợi, (c) Tỷ số trục. Anten lưỡng cực kết hợp mảng siêu bề mặt 5x5 tấm patch vát góc nhìn từ trên và nhìn ngang.

Cơ chế tạo sóng CP từ anten lưỡng cực sử dụng MS gồm 55 tấm patch vát góc. Kết quả mô phỏng đặc tính bức xạ của anten lưỡng cực MS vát góc với các giá trị Lc khác nhau: (a) Hệ số phản xạ S11, (b) Độ lợi, (c) Tỷ số trục. Kết quả mô phỏng phân bố dòng điện trên anten lưỡng cực MS vát góc với những góc pha khác nhau tại tần số 3,7 GHz. Kết quả mô phỏng đặc tính bức xạ của anten lưỡng cực MS vát góc với các giá trị Wgnd khác nhau: (a) Hệ số phản xạ S11, (b) Độ lợi, (c) Tỷ số trục.

Kết quả mô phỏng đặc tính bức xạ của anten lưỡng cực kết hợp siêu bề mặt đã tối ưu: (a) Hệ số phản xạ S11, (b) Độ lợi, (c) Tỷ số trục. Kết quả mô phỏng đồ thị bức xạ của anten lưỡng cực kết hợp siêu bề mặt chuyển đổi phân cực tròn tại: (a) 3 GHz và (b) 3,7 GHz. 65 x DANH MỤC BẢNG Bảng 3. Chỉ tiêu thiết kế anten.

Các tham số kích thước thiết kế tối ưu của anten đề xuất (đơn vị: mm). So sánh các đặc tính bức xạ của các anten. Bảng so sánh với một số kết quả thiết kế anten lưỡng cực phân cực tròn Sub – 6 GHz: .