Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các hệ thống anten có độ lợi cao ứng dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến chuyên dụng

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các hệ thống anten có độ lợi cao ứng dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến chuyên dụng 1.2.. Bảng 1: Các tham số của mảng anten búp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KH&CN

CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

1.1 Tên đề tài:

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các hệ thống anten có độ lợi cao ứng dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến chuyên dụng

1.2 Mã số: QG.16.27

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài:

TT Chức danh, học vị, họ và tên Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

Công nghệ, ĐHQGHN

Chủ trì

Tổ chức triển khai nghiên cứu và chịu trách nhiệm chuyên môn toàn bộ đề tài

Quân sự,

Bộ Quốc phòng

Chế tạo và Thử nghiệm

Bộ TTTT

Đánh giá, lựa chọn bằng tần

Công nghiệp Hà Nội

Đo lường và Thử nghiệm

1.4 Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2016 đến tháng 01 năm 2018

1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng… năm…

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)

TT Đã đăng ký Xin thay đổi Lý do

- Hỗ trợ đào tạo 01 nghiên

khả năng được sử dụng cho các hệ thống truyền thông sau 4G)

Cơ quan quản lý có văn bản đồng ý với các thay đổi

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 400 triệu đồng

PHẦN II TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, có rất nhiều mẫu anten mảng vi dải với độ lợi cao được nghiên cứu và công bố trên toàn thế giới Nhằm đáp ứng những nhu cầu đặt ra ngày càng cao của người dùng, các nhà khoa học luôn tìm các phương pháp, kỹ thuật mới để truyền thông tin đi xa hơn và nhanh hơn với hiệu suất cao nhất Một trong những phương pháp để nâng cao hiệu suất hệ thống là thiết kế các anten có độ lợi cao

Có rất loại anten có độ lợi cao đã được nghiên cứu, chế tạo phổ biến như: anten parabol, anten helix, anten loa, anten yagi, anten hình nón, mảng anten vi dải,

Hình 1 Một số loại anten độ lợi cao: a) Parabol , b) Anten loa, c) Mảng anten vi dải,

d) anten helix, e) anten Yagi

Dựa vào đặc tính của đồ thị bức xạ và hướng tính, anten có độ lợi cao được chia

Anten búp dải quạt (Fan Beam Antenna): là loại anten định hướng có búp sóng chính có

độ rộng búp sóng hẹp tại một chiều và rộng hơn ở chiều còn lại

Hình 2 Anten búp dải quạt Anten búp nhọn (Narrow Beam Antenna): là anten định hướng có búp sóng chính nhọn và

hẹp tại tất cả các chiều

Hình 3 Anten búp nhọn

Nghiên cứu phát triển các anten có độ lợi cao cho các hệ thống truyền thông chuyên dụng là hướng được các nhà khoa học trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu Các nghiên cứu tạo ra các anten với các tính năng cao trên thế giới thường nhận được tài trợ của công nghiệp, gắn với phát triển các hệ thống truyền thông cụ thể (theo đặt hàng), vì vậy thường ít khi công bố Các công bố thì lại thường mang tính hàn lâm nhiều hơn

2 Mục tiêu

Làm chủ được công nghệ, đề xuất được thiết kế, chế tạo, đo kiểm và thử nghiệm

trong các hệ thống truyền thông vô tuyến chuyên dụng (chẳng hạn Wi-Fi định hướng, hệ thống hỏi đáp nhận diện hàng không,…)

3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài đã áp dụng phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sau:

- Kỹ thuật mô phỏng anten bằng các công cụ mô phỏng siêu cao tần tiên tiến cho phép thử nghiệm và tối ưu hệ thống anten trước khi chế tạo

- Công nghệ mới cho phép thiết kế, chế tạo nên các bộ anten gọn, nhẹ, nhưng vẫn đảm bảo hiệu năng cao

- Đo lường thử nghiệm trên các hệ đo anten tiên tiến nhằm xác thực kết quả và chất lượng sản phẩm sau khi chế tạo

4 Các kết quả nghiên cứu chính

4.1 Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm anten mảng búp dải quạt có độ lợi cao

Phần này sẽ trình bày toàn bộ quy trình phân tích, tính toán, thiết kế, đo đạc kiểm nghiệm một mảng anten có búp dải quạt Các tham số của anten phù hợp với yêu cầu đề tài được tổng hợp trên Bảng 1

Bảng 1: Các tham số của mảng anten búp dải quạt Tham số Giá trị

a) Lựa chọn và thiết kế phần tử đơn

Phần tử đơn trong thiết kế anten mảng được lấy ý tưởng ban đầu từ anten dipole hai mặt trong tài liệu [14] Dipole mạch in được sử dụng rộng rãi nhất trong các mảng anten bởi vì nó chiếm ít diện tích hơn rất nhiều so với các anten mạch dải khác [14] Hơn thế nữa, anten dipole mạch in thường cho băng thông khá rộng vào khoảng 10% - 30% Theo nguyên lý thiết kế, anten dipole mạch in được xem như là một mạch anten hình chữ nhật hẹp Với hai cánh bức xạ chính được đặt đối xứng nhau qua đường tiếp điện ở giữa và đối diện nhau qua tấm chất nền

Trong nội dung thiết kế này của đề tài, phần tử đơn được thiết kế để hoạt động ở tần

số 5.6 GHz (tần số trung tâm của dải tần 5 GHz cấp phát cho các chuẩn Wi-Fi mới nhất hiện nay)

Hình 4 Quy trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm anten mảng

Hình 5 Cấu trúc cơ bản của một anten dipole mạch in

Như đã trình bày ở trên, cấu trúc của mẫu đơn này bao gồm 2 mặt bức xạ được đặt đối xứng qua hai mặt của tấm chất nền Mỗi tấm bức xạ có hình chữ nhật và kích thước

là 13.2 mm × 7 mm Theo [14, 15], để mở rộng băng thông của mặt bức xạ vuông, mỗi tấm này được cắt vát 2 góc đối diện nhau nhằm tăng sự thay đổi trở kháng theo tần số Chính việc cắt góc này đã tạo nên cấu trúc như lá cây của phần tử anten đơn này Thêm vào đó, lấy ý tưởng từ anten Yagi mạch in, một thanh hình chữ nhật (gọi là cross

junction) được thêm vào đường truyền để tăng độ lợi của anten đơn này lên Hình dáng

Hình 6 Phần tử anten đơn được đề xuất Bảng 2 Các tham số của phần tử anten đơn (đơn vị: mm) Tham số Giá trị Tham số Giá trị

b) Thiết kế mạng tiếp điện và ghép mảng

Mảng anten có búp sóng dải quạt thực chất là mảng anten tuyến tính Để đáp ứng các yêu cầu về độ lợi cũng như búp sóng dải quạt, số lượng phần tử đơn cần được tính toán hợp lý Theo định nghĩa, anten búp sóng dải quạt là loại anten định hướng có độ rộng búp sóng hẹp tại một chiều và rộng hơn ở chiều còn lại Theo các tài liệu tham khảo, thì một búp sóng nửa công suất của anten này tối thiểu phải phải lớn hơn 70O Dựa vào công thức (1), để có độ lợi lớn hơn 17 dB đáp ứng yêu cầu của đề tài, góc nửa công suất

trên, ta thấy rằng mảng anten mảng 10×1 phần tử đáp ứng được yêu cầu đặt ra

(1)

Mảng anten này được cấu thành từ 10 phần tử anten đơn và các anten đơn này kết nối với nhau qua một hệ thống tiếp điện song song sử dụng bộ chia công suất chữ T (T-junction) như ở Hình 7 b Để đảm bảo các anten đơn được tiếp điện đồng biên độ, bộ chia công suất T được thiết kế chia đồng đều công suất sang 10 cổng ra

Do vậy, để pha giữa hai điểm là như nhau thì d phải bằng λ Trong thiết kế này, các phần tử đơn này sẽ được đặt cách nhau khoảng cách d là 0.75 λ, kết hợp với đường tiếp điện vào phần tử đơn là 0.25 λ, để đảm bảo pha vào các mặt bức xạ là như nhau Khoảng cách giữa các phần tử này cũng được khảo sát và so sánh trong phần kết quả

mô phỏng Các phần tử đơn được sắp xếp tuyến tính để hình thành được búp sóng dải quạt như thể hiện ở Hình 7 a

Hệ thống tiếp điện 10×1 được thiết kế để phối hợp với trở kháng đầu vào là 50 Ω

Bảng 3 Các thông số của mảng anten 10×1 (đơn vị: mm) Tham số Giá trị Tham số Giá trị

4.1.2 Chế tạo và đo đạc anten mảng

Anten mảng 10×1 thử nghiệm đã được chế tạo như ở Hình 9 Sau đó, mẫu anten này

đã được đo đạc sử dụng các hệ thống đo trong phòng thí nghiệm thuộc Bộ môn Thông tin Vô tuyến

Hình 9 Mẫu anten mảng được chế tạo

Hình 10 Đo độ lợi của anten trên hệ thống thiết bị định vị anten NSI

Kết quả đo đạc suy hao phản hồi của mảng anten được đưa ra và so sánh với các dữ liệu từ mô phỏng như thể hiện trên Hình -12

Dễ dàng có thể nhận thấy rằng, các kết quả khá tương thích với nhau Băng thông tính từ suy hao phản hồi nhỏ hơn -10 dB trong đo đạc vào khoảng 740 MHz so với 580 MHz trong mô phỏng

Hình 11 So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc của S11

(a) Mặt phẳng xoz (b) Mặt phẳng yoz

Hình 12 Kết quả mô phỏng và đo đạc giản đồ bức xạ của anten

Như có thể thấy các kết quả đo đạc khá phù hợp với kết quả mô phỏng Độ lợi đo đạc được vào khoảng 17.7 dBi so với 17.2 dBi ở trong mô phỏng Các góc nửa công suất

× 550, cùng với mức búp phụ là -15.48 dB

Do đó, tất cả các kết quả đo đạc khá phù hợp với dữ liệu từ mô phỏng

Bảng 4 Bảng tổng hợp so sánh kết quả mô phỏng và đo đạc Tham số Kết quả đo đạc Kết quả mô phỏng Tần số hoạt động 5.6 GHz 5.6 GHz

Độ lợi 17.7 dBi 17.2 dBi

Băng thông

740 MHz (5.12 GHz - 5.86 GHz)

590 MHz (5.16 GHz – 5.75 GHz)

Mức búp phụ - 15.48 dB - 15.4 dB

Các kết quả của mảng anten này được so sánh với các công bố trong một số tài liệu tham khảo như ở Bảng 4 Ta có thể thấy, dù có ít hoặc nhiều phần tử hơn, mảng anten thiết kế trong đề tài vẫn có các kết quả về băng thông, độ lợi cũng như mức búp phụ là tốt hơn so với các mẫu đã công bố trước đó

Bảng 5 So sánh với tài liệu tham khảo

Mẫu Kích thước Chất nền Băng

thông Độ lợi Búp phụ [16]

4.65 mm × 31

mm × 2.64 mm (9 × 1 phần tử)

Rogers RT/Duroid

Rogers RT/Duroid

5870

10.5% 17.2 dBi -15.4 dB

4.2 Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm anten mảng búp nhọn có độ lợi cao

Phần này sẽ trình bày toàn bộ quy trình phân tích, tính toán, thiết kế, đo đạc kiểm nghiệm một mảng anten có búp nhọn Các tham số của anten phù hợp với yêu cầu đề tài được tổng hợp trên Bảng 6

Bảng 6 Các tham số của mảng anten búp nhọn

4.2.1 Thiết kế phần tử đơn

Sử dụng quy trình và tính toán phần tử đơn như đã trình bày ở trên, anten mảng phẳng sử dụng phần tử đơn DSPD hoạt động ở tần số 5,5 GHz như Hình 15 sẽ được thiết kế Các thông số thiết kế phần tử anten đơn DSPD được tóm tắt trong Bảng 7

Hình 13 Mẫu anten DSPD đề xuất Bảng 7 Bảng thông số thiết kế phần tử anten đơn DSPD Thông số Giá trị (mm) Thông số Giá trị (mm)

4.2.2 Mạng tiếp điện của mảng phẳng

Sau khi thiết kế phần tử đơn DSPD, mạng tiếp điện của mảng được tính toán, thiết kế

để xây dựng mảng Cụ thể, các bộ chia công suất hình T được sử dụng Anten mảng đề xuất gồm 12 mảng nhỏ, mỗi mảng nhỏ gồm 2×2 phần tử đơn

(a) Mô hình mô phỏng (b) Nguyên mẫu chế tạo

Hình 14 Thiết kế anten mảng phẳng (a) và nguyên mẫu chế tạo (b)

Ngoài ra, các mảng nhỏ được đặt cách đều nhau một khoảng bằng λ0 (L1, L2) để

đảm bảo tất cả các mảng nhỏ được tiếp điện đồng pha Cuối cùng, cấu trúc hình học của

mảng gồm 4×4×3 phần tử với các kích thước 241×194 mm2 và các thông số kĩ thuật

được trình bày trong Hình 14 và Bảng 8

Bảng 8 Thông số thiết kế mảng (đơn vị: mm) Thông số Giá trị Thông số Giá trị

Kết quả mô phỏng và đo đạc suy hao phản hồi được trình bày trên Hình 26 Dải tần

hoạt động của anten đề xuất nằm trong khoảng từ 4,5 GHz đến 5,9 GHz (S11 ≤ -10 dB)

Hình 15 Kết quả mô phỏng và đo đạc của S11 4.1.3 Kết quả đo

Kết quả mô phỏng và đo đạc trường bức xạ của mẫu anten mảng chế tạo được thể

hiện trong Hình 16

(a) Mặt phẳng xoz (b) Mặt phẳng yoz

Hình 16 Đồ thị bức xạ của anten mảng Hình 29 Đồ thị bức xạ của anten đề xuất

Tổng hợp kết quả đo đạc và mô phỏng được thể hiện trong Bảng 9 Kết quả cho thấy anten mảng đề xuất có băng thông khá rộng (khoảng 23% tại tần số 5,5 GHz) với S11 ≤ -10 dB, có thể đáp ứng ở tất cả các kênh tần số theo chuẩn IEEE 802.11ac Độ lợi lớn

mảng vi dải búp nhọn đề xuất hoàn toàn có thể dùng trong ứng dụng truyền thông điểm

- Thiết kế mạng tiếp điện cho mảng anten sử dụng các trọng số Chebyshev, cho phép nén mức búp phụ (SLL-Sidelobe Level) xuống thấp dưới -25 db

- Sử dụng thuật toán Dơi (BA: Bat algorithm) cho mảng anten để đặt các điểm không (Null) bất kỳ

Chi tiết các kỹ thuật này có thể xem trong các công bố của đề tài gửi kèm báo cáo này

5.1 Thiết kế mạng tiếp điện cho mảng anten sử dụng các trọng số Chebyshev

Phần này trình bày tóm tắt về thiết kế mạng tiếp điện cho mảng anten sử dụng các trọng số Chebyshev, cho phép nén mức búp phụ (SLL-Sidelobe Level) xuống mức thấp (dưới -25 db) Cụ thể, kỹ thuật tạo phân bố Chebyshev trên mạng tiếp điện nối tiếp cho mảng vi dải và áp dụng để xây dựng anten mảng với phần tử anten DSPD Kỹ thuật này được thực hiện bằng cách sử dụng dây chêm hở mạch hoạt động như một tụ điện cho phép điều chỉnh biên độ kích thích các phần tử anten của mảng

Hình 17 Thiết kế mạng tiếp điện nối tiếp 10×1 Bảng 10 Các thông số thiết kế mạng tiếp điện 10×1 theo phân bố Chebyshev Tham số Giá trị (mm) Tham số Giá trị (mm)

Hình 19 Mẫu chế tạo của anten mảng

Hình 20 So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc hệ số suy hao phản hồi

(a) Mặt phẳng xoz (b) Mặt phẳng yoz Hình 21 Kết quả mô phỏng và đo đạc đồ thị bức xạ của anten mảng

Bảng 11 So sánh tham số cơ bản của các anten mảng Mẫu Kích thước

(0 )

Tần số làm việc (GHz)

HPBW ( 0 ) Độ lợi

(dBi)

SLL (dB)

5.2 Kỹ thuật điều khiển và định dạng búp sóng

Kỹ thuật định dạng và điều khiển búp sóng (BF-Beamforming) cho phép các anten thông minh nâng cao khả năng phủ sóng, truyền dữ liệu, hiệu quả sử dụng phổ tần và

đây, thuật toán Dơi được đề xuất dự trên đặc tính hoạt động của loài Dơi Thuật toán này được áp dụng cho BF lần đầu tiên năm 2016 và cho thấy là một công cụ tối ưu đầy triển vọng cho các BF thích nghi về khả năng tính toán Ba kỹ thuật đã được sử dụng trong đề tài gồm: i) Chỉ điều khiển biên độ; ii) Chỉ điều khiển về pha; và iii) Điều khiển

cả biên độ và pha Các kết quả chi tiết về thiết kế và mô phỏng hệ thống đã được trình bày chi tiết trong các công bố của đề tài

6 Đánh giá về các kết quả đã đạt được và kết luận

Đề tài đã tiến hành phân tích, đề xuất và thiết kế các anten mảng vi dải với búp sóng dải quạt và búp sóng nhọn, có độ lợi cao và có thể ứng dụng cho một số hệ thống truền thông chuyên dụng (chẳng hạn Wi-Fi định hướng, hệ thống hỏi đáp nhận diện hàng không,…) Quy trình thiết kế mảng anten từ phần tử anten đơn đã được trình bày chi tiết

Các mẫu anten đã được chế tạo và đo đạc để kiểm chứng kết quả mô phỏng Các phép đo được thực hiện sử dụng các thiết bị đo tại Bộ môn Thông tin Vô tuyến Các kết quả đo đạc khá phù hợp với các dữ liệu từ mô phỏng

7 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

7.1 Tiếng Việt

Đề tài có mục tiêu làm chủ được công nghệ, đề xuất được thiết kế, chế tạo, đo kiểm

hiện đại, khả dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến chuyên dụng (chẳng hạn Wi-Fi định hướng, hệ thống hỏi đáp nhận diện hàng không,…)

Trong quá trình triển khai, nhóm thực hiện đề tài đã thiết kế, chế tạo, đo đạc và thử nghiệm được 03 bộ anten mảng có độ lợi cao (≥17 dB), sử dụng công nghệ mạch vi dải Một số kỹ thuật thiết kế sử dụng mạng tiếp điện Chebyshev để hạ mức búp phụ (≤-25 dB) cũng như ứng dụng thuật toán Dơi để đặt điểm không (1 điểm không; nhiều điểm không đồng thời và điểm không trong một khoảng góc rộng) cho các ứng dụng chống nhiễu của anten mảng đã được áp dụng nhằm nâng cao hiệu năng cho các anten, đáp ứng các yêu cầu của anten cho các hệ thống truyền thông chuyên dụng

7.2 Tiếng Anh

The aim of the project is to research, design, fabiracate and measure high gain antenna arrays (≥17 dB) for specific wireless communication systems (such as Outdoor Wi-Fi Systems; Identification System for Aviation Communications,…)

In this project, 03 high gain (≥17 dB) microstrip antenna arrays of both fan beam and pencil beam have been designed, simulated, fabricated and measured In order to suppress the side lobe level to below -25 dB, Chebyshev feeding network has been designed and applied So as to set an arbitrary null, multiple nulls and a wide null for interference suppression applications, Bat-Alrorithm has been successfully utilized for antenna arrays

8 Danh mục các tài liệu tham khảo

[1] M J Song and J S Li, “A High Gain Array Antenna for WLAN – WIMAX Applications”, Microwave Antenna Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications (MAPE), 2011 IEEE 4th International Symposium, pp 5-7, Nov 2011, Beijing

[2] K Sakakibara, N Kikuma and H Hirayama, “Array Design Techniques of Microstrip Comb-line Antennas in Millimeter-wave Band”, 2012 IEEE Asia-Pacific Conference on Antennas and propagation, August 27-29, 2012, Singapore

[3] N Iizasa, R Pokharel, H Kanaya and K Yoshitomi, “High Gain 4×4 Slot Dipole Antenna Array in the 5GHz Band”, 3rd Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation, 2014

[4] Y Yang, Y Wang and A E Fathy, “Design of Compact Vivaldi Antenna Arrays for UWB See Through Wall Applications”, Progress in Electromagnetics Research, PIER

82, 401-418, 2008