Báo cáo môn học phân tích thiết kế hệ thống đề tài thiết kế antten thông minh

. Trong thông tin vô tuyến, anten là một hệ thống cho phép truyềnvà nhận năng lượng trường điện từ. Anten cũng có thể được xem như là một thiếtbị dùng để truyền năng lượng trường điện từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất cứ phương tiện truyền dẫn tập trung nào: như cáp đồng, cáp quang hay ống dẫn sóng. Trong nhiều ứng dụng, anten hoàn toàn có thể so sánh được với các phương tiện truyền dẫn khác để chuyển tải năng lượng trường điện từ. Chính do “hiệu ứng da” nên việcsử dụng dây dẫn để truyền tải thông tin trở nên kém hiệu quả trong các hệ thống thông tin tần số cao, lúc này anten càng thể hiện được sự vượt trội của mìnhtrong việc trong việc chuyển tải các trường điện từ. Đặc biệt trong các hệ thống thông tin ở các khu vực có địa hình phức tạp hoặc các khu vực ít dân cư, việcxây dựng các hệ thống hữu tuyến trở nên tốn kém và khó khăn thì thông tin vô tuyến được chọn là giải pháp tối ưu. Sóng trường điện từ chi phối hoạt động của anten được mô tả bởi phương trình Maxwell. Các phương trình này được thiết lập bởi Maxwell vào năm 1876, ông đã thống nhất các định lý trước đó của Faraday, Ampere và Gauss và cho thấy rằng vận tốc truyền lan sóng điện từ bằng với vận tốc ánh sáng. Các bước phát triển của anten qua các giai đoạn từ giai đoạn hình thành cho đến nay. Năm1886,nhà vật lý người Đức- Heinrich Hertz đã kiểm tra bằng thí nghiệm sự tồn tại của sóng điện từ, ông đã phát triển các lưỡng cực đơn giản và các anten vòng. Năm1987, nhà vật lý người Nga-Alexander Popov đã phát triển tuyến anten đầu tiên và có khả năng truyền tín hiệu ở khoảng cách ba dặm. Năm1901,Guglielmo Marconi ông đã thành công với hệ thống thông tin vô tuyến xuyên Đại Tây Dương với tần số hoạt động là 60Khz. Năm1916, lần đầu tiên sử dụng kỹ thuật điều biên để truyền tín hiệu tiếng nói. Năm1920, việc tạo ra các tín hiệu có tần số cao lên đến 1Mhz nên làm cho các anten có kích thước nhỏ về điện. Năm1930, các nguồn dao động cao tần được tao ra với tần số lên đến dãy Ghz. Năm1934, hệ thống vô tuyến điện thoại thương mại đầu tiên được tạo ra hoạt động giữa Anh và Pháp với tần số hoạt động 1.8Ghz. Năm1940-1945, đạt được nhiều kết quả nghiên cứu trong việc phát triển radar, các mảngvà các anten thấu kính. Năm1945 đến nay, kỷ nguyên của anten hiện đại. Anten hiên đại cho phép phân phốicác tín hiệu vô tuyến trên phạm vi toàn thế giới, cho phép thông thoại có tính toàn cầu nhanh chóng. Các ứng dụng trong công nghệ thông tin vệ tinh, và sự bùng nổ của công nghệ viễn thông dẫn đến lĩnh vực anten đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm. Chính vì sự quan trọng của anten trong viễn thông nói chung và trong thông tin vô tuyến nói riêng, những người thực hiện đề tài đã chọn đề tài “ Thiết kế anten thông minh”.

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Thiết kế antten thông minh

Giáo viên hướng dẫn : TS Tống Văn Luyên Sinh viên thực hiện :

Hà Thị Kim Lanh - KTMT1Nguyễn Thị Thơm - KTMT1

Vũ Hà Hưng –KTMT1

Hà Nội 10/2019

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, chúng ta đã và đang đứng trước sự phát triển mạnh mẽ khôngngừng của ngành công nghiệp viễn thông Trong đó, không thể không kể đếnthông tin vô tuyến đã phát triển và đạt được nhiều thành tựu đáng kể, thông tin

vô tuyến ngày nay không ngừng được nghiên cứu để cải tiến về dịch vụ và chấtlượng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng Nhắc đến thôngtin vô tuyến không thể nào không nhắc đến một trong các thành phần quantrọng bậc nhất của lĩnh vực vô tuyến đó là về anten Trong thông tin vô tuyến,anten là một hệ thống cho phép truyềnvà nhận năng lượng trường điện từ Antencũng có thể được xem như là một thiếtbị dùng để truyền năng lượng trường điện

từ giữa máy phát và máy thu mà không cần bất cứ phương tiện truyền dẫn tậptrung nào: như cáp đồng, cáp quang hay ống dẫn sóng Trong nhiều ứng dụng,anten hoàn toàn có thể so sánh được với các phương tiện truyền dẫn khác đểchuyển tải năng lượng trường điện từ Chính do “hiệu ứng da” nên việcsử dụngdây dẫn để truyền tải thông tin trở nên kém hiệu quả trong các hệ thống thôngtin tần số cao, lúc này anten càng thể hiện được sự vượt trội của mìnhtrong việctrong việc chuyển tải các trường điện từ Đặc biệt trong các hệ thống thông tin ởcác khu vực có địa hình phức tạp hoặc các khu vực ít dân cư, việcxây dựng các

hệ thống hữu tuyến trở nên tốn kém và khó khăn thì thông tin vô tuyến đượcchọn là giải pháp tối ưu Sóng trường điện từ chi phối hoạt động của anten được

mô tả bởi phương trình Maxwell Các phương trình này được thiết lập bởiMaxwell vào năm 1876, ông đã thống nhất các định lý trước đó của Faraday,Ampere và Gauss và cho thấy rằng vận tốc truyền lan sóng điện từ bằng với vậntốc ánh sáng Các bước phát triển của anten qua các giai đoạn từ giai đoạn hìnhthành cho đến nay Năm1886,nhà vật lý người Đức- Heinrich Hertz đã kiểm trabằng thí nghiệm sự tồn tại của sóng điện từ, ông đã phát triển các lưỡng cực đơngiản và các anten vòng Năm1987, nhà vật lý người Nga-Alexander Popov đãphát triển tuyến anten đầu tiên và có khả năng truyền tín hiệu ở khoảng cách badặm Năm1901,Guglielmo Marconi ông đã thành công với hệ thống thông tin

vô tuyến xuyên Đại Tây Dương với tần số hoạt động là 60Khz Năm1916, lầnđầu tiên sử dụng kỹ thuật điều biên để truyền tín hiệu tiếng nói Năm1920, việctạo ra các tín hiệu có tần số cao lên đến 1Mhz nên làm cho các anten có kíchthước nhỏ về điện Năm1930, các nguồn dao động cao tần được tao ra với tần sốlên đến dãy Ghz Năm1934, hệ thống vô tuyến điện thoại thương mại đầu tiênđược tạo ra hoạt động giữa Anh và Pháp với tần số hoạt động 1.8Ghz.Năm1940-1945, đạt được nhiều kết quả nghiên cứu trong việc phát triển radar,các mảngvà các anten thấu kính Năm1945 đến nay, kỷ nguyên của anten hiệnđại Anten hiên đại cho phép phân phốicác tín hiệu vô tuyến trên phạm vi toànthế giới, cho phép thông thoại có tính toàn cầu nhanh chóng Các ứng dụngtrong công nghệ thông tin vệ tinh, và sự bùng nổ của công nghệ viễn thông dẫnđến lĩnh vực anten đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm Chính vì sự quantrọng của anten trong viễn thông nói chung và trong thông tin vô tuyến nóiriêng, những người thực hiện đề tài đã chọn đề tài “ Thiết kế anten thông minh”.

MỤC LỤC

BÁO CÁO MÔN HỌC 1

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1

Đề tài : Thiết kế antten thông minh 1

LỜI MỞ ĐẦU 2

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 5

1 Tổng quan tề tài nghiên cứu 5

2 Cơ sở kỹ thuật 5

3 Thiết kế: 5

4 Thực thi thiết kế: Trên mô hình và mô phỏng hoặc phần cứng 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 6

1.1 Giới thiệu chung 6

1.2 Tài tham khảo 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KỸ THUẬT 8

2.1 Sơ đồ khối và chức năng của beanforming 8

2.2 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động 9

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ANTEN HÌNH CHỮ NHẬT 10

3.1 Tổng quan 10

3.2 Các thông số cơ bản của anten 10

3.3 Bài toán thực tế 11

CHƯƠNG 4 THỰC THI THIẾT KẾ TRÊN ỨNG DỤNG SYSTEMVUE 12

4.1 Thực thi thiết kế anten hình chữ nhật 12

4.2 Kết quả và nhận xét 19

4.3 Đánh giá 21

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1 Tổng quan tề tài nghiên cứu

- Giới thiệu chung: khái niệm, đặc điểm kỹ thuật cơ bản và ứng dụng- -Tài liệu

và tham khảo

2 Cơ sở kỹ thuật

- Sơ đồ khối và chức năng

- Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động

4 Thực thi thiết kế: Trên mô hình và mô phỏng hoặc phần cứng

-Kiểm chứng, tối ưu và đánh giá kết quả

-Báo cáo tổng kết đề tài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Khái quát

a) Giới thiệu beamforming

Beamforming là công nghệ sóng giúp hướng sóng vào một mục tiêu cụ thểthay vì lan tỏa trong cả một khu vực Thông thường, bộ định tuyến phát sóngWiFi theo mọi hướng Với Beamforming, nó sẽ xác định thiết bị ở đâu vàtruyền sóng theo hướng đó Beamforming đã nằm trong tiêu chuẩn bộ định

Hình 1.1 Hệ thống beanforming

b) Giới thiệu về anten

Thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ (anten phát) hoặc thu nhận sóng (antenthu) từ không gian bên ngoài được gọi là anten Nói cách khác, anten là cấu trúcchuyển tiếp giữa không gian tự do và thiết bị dẫn sóng (guiding device), như thểhiện trong hình 1.2 Thông thường giữa máy phát và anten phát, giữa máy thu

và anten thu không nối trực tiếp với nhau và được ghép với nhau qua đườngtruyền năng lượng điện từ, gọi là feeder Trong hệ thống nayfy máy phát cónhiệm vụ tạo ra dao động điện cao tần Dao động điện sẽ được truyền đi theofeeder tới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Ngược lại, anten thu sẽnhận sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài và biến đổi chúng thành sóngđiện từ ràng buộc Sóng này được truyền theo feeder tới máy thu Yêu cầu củathiết bị anten và feeder là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng vớihiệu suất cao nhất và không gây ra méo dạng tín hiệu

Hình 1.2 Anten như một thiết bị truyền sóng

Cùng với việc thu nhận hay truyền phát năng lượng, anten trong các hệ thốngkhông dây thuwognf được yêu cầu là định hướng năng lượng bức xạ mạnh theomột hướng và triệt tiêu năng lượng ở các hướng khác Do đó anten có vai trònhư một thiết bị bức xạ hướng tính Hơn nữa anten cũng phải có hình dạng khácnhau để phù hợp với các mục đích cụ thể

1.1.2 Lịch sử:

- Trước đây Beamforming là một phần của 802.11n, yêu cầu cả bộ địnhtuyến và thiết bị phải hỗ trợ cùng một kiểu Beamforming Vì không cóchuẩn chung nên các nhà sản xuất thiết bị tự do thay đổi theo ý mình, khó

mà có được sự tương thích

- Nhưng với chuẩn 802.11ac thì vấn đề này đã được khắc phục Có mộtchuẩn chung cho Beamforming và các thiết bị 802.11ac, như bộ địnhtuyến hay laptop của bạn chẳng hạn, có thể chạy với nhau dễ dàng

- Beamforming là một phần của 802.11ac không có nghĩa là mọi thiết bị802.11ac đều hỗ trợ Beamforming, nhưng nếu có, chúng sẽ ở dưới dạngchuẩn

- Beamforming có thể hoạt động được là nhờ các bộ thu - phát sử dụngcông nghệ MIMO Dữ liệu được gửi và nhận bằng nhiều ăng-ten để tăng

số lượng cũng như khoảng cách truyền dữ liệu MIMO lần đầu được giớithiệu trong chuẩn 802.11n và vẫn là tính năng quan trọng trong 802.11ac.1.1.3 Đặc điểm kĩ thuật

- Trong một ăng ten mảng, dòng tần số vô tuyến từ máy phát được đưa đếncác ăng ten riêng lẻ có mối quan hệ pha chính xác để các sóng vô tuyến

từ các ăng ten riêng biệt cộng lại với nhau để tăng bức xạ theo hướngmong muốn, đồng thời hủy bỏ bức xạ không mong muốn hướng.

- Trong một mảng theo pha, năng lượng từ máy phát được cung cấp choanten thông qua các thiết bị gọi là bộ dịch pha, được điều khiển bởi hệthống máy tính, có thể thay đổi pha điện tử, do đó điều khiển chùm sónag

vô tuyến sang hướng khác Do mảng phải bao gồm nhiều ăng ten nhỏ (đôikhi hàng nghìn) để đạt được mức tăng cao, các mảng theo pha chủ yếu làthực tế ở đầu tần số cao của phổ vô tuyến, trong đó các phần tử ăng tenrất nhỏ

1.1.4 Ứng dụng:

- ứng dụng để thiết kế để loại bỏ chức năng từ các hướng không mongmuốn và nhận được năng lượng một cách nhạy cảm nhất từ các hướngkhác

- cung cấp hệ thống cảnh báo khác cuối cùng cho cơn lốc xoáy và thời tiếtnguy hiểm khác

- ứng dụng trong ô tô để phát hiện và xác định người đi bộ

- cho phép các đài truyền hình hướng tín hiệu của họ về phía khu vựcngười nghe trên các đài phát thanh

1.2 Tài tham khảo

 Antenna theory annalysis and design_NKH.Constantine A.Balanis

 Lý thuyết và kỹ thuật anten_GS TS Phan Anh

 Nghiên cứu và phát triển các bộ định dạng và điều khiển búp sóng thích nghi để chống nhiều trong các anten thông minh_ TS Tống Văn Luyên

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KỸ THUẬT

2.1 Sơ đồ khối và chức năng của beanforming

 Steerible(chỉ đạo): hướng của tín hiệu có thể được thay đổi bằng điện tử

để tối ưu hóa chức năng

2.1.2 Chức năng

Có hai chức năng trong một hệ thống thông tin liên lạc

 -Khi kết nối với máy phát, nó thu thập các tín hiệu AC và gửi thẳng, hoặcphát xạ sóng RF đi theo mô hình cụ thể cho từng loại ăng-ten

 -Khi kết nối với máy thu, anten lấy sóng RF mà nó nhận được và gửi tínhiệu AC cho máy thu

 -Việc truyền RF của một anten thường được so sánh hoặc tham chiếu đếnmột bộ bức xạ đẳng hướng

 -Có hai cách để tăng công suất phát ra một ăng-ten

 -Tạo ra công suất mạnh hơn tại máy phát (không ưu tiên vì tốn kém)

 -Truyền hoặc hội tụ tín hiệu RF được phát xạ từ anten

2.2 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động

2.2.1 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động

Cấu trúc đơn giản của bộ BF số ở phía thu được biểu diễn trong Hình 1.4 Các

bộ BF thực hiện tác động trọng số vào các tín hiệu thu được nhằm làm thay đổi biên độ và pha của chúng sao cho các tín hiệu này được tổng hợp thành một tín hiệu đầu ra mong muốn Các bộ BF số có thể thay đổi giá trị của các trọng số (w) nhằm hướng búp sóng chính về hướng mong muốn và thay đổi búp sóng để tối ưuhiệu năng của hệ thống Như vậy, sự linh hoạt của các bộ BF số cho phép thực thi các bộ BF thích nghi có khả năng thay đổi đáp ứng của nó một cách tự động theo các điều kiện khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế

2.2.2 Hoạt động

- tín hiệu cao tần thu được từ mảng anten sẽ được chuyển xuống trung tần (IF).Sau đó, tín hiệu IF được chuyển đổi sang tín hiệu số nhờ khối ADC Tín hiệu sốnày được chuyển đổi xuống tốc độ phù hợp với khả năng xử lý và hiệu chuẩn.Tiếp theo, tại BF, hướng của tín hiệu cần thu được xác định thông qua khốiDOA Căn cứ vào đó, các thuật toán BF sẽ giúp khối điều khiển BF tạo ra cáctrọng số phù hợp tác động vào từng tín hiệu thu được từ từng phần tử anten saocho tín hiệu tổng hợp thu được tại đầu ra là tốt nhất tại khối BF Cuối cùng tínhiệu thu được sẽ được đưa tới khối xử lý tín hiệu băng gốc để thu được thôngtin chính xác mà bên phát đã gửi đi.Tương ứng như trên, quá trình phát tín hiệudiễn ra theo chiều ngược lại

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng mảng hình chữ nhật của anten

3.2 Các thông số cơ bản của anten

− Tần số công tác của anten là tần số cộng hưởng của anten.Anten luôn làmviệc ở chế độ cộng hưởng vì khi đó công suất bức xạ của anten là lớnnhất

− Hệ số định hướng của anten theo hướng cực đại được định nghĩa bằng tỷ

số cường dộ trường bức xạ tại một vị trí trên hướng đó và cường độtrường bức xạ của một anten chuẩn cùng ở vị trí tương ứng (D) Hệ sôtăng ích(Độ lợi) của anten( G=e,D), trong đó e là hiệu suất bức xạ củaanten

− Trở kháng vào của anten Z A =R A + j X A

Khi kết nối anten với feeder cần chú ý tới điều kiện phối hợp trở kháng,Thông thường trở kháng đặc tính của feeder là R0 để phối hợp trở kháng

Lg là chiều dài của mặt phẳng đất

Hình 3.4 Hình ảnh biể diễn thông số

3.3 Bài toán thực tế

Đề bài: Chọn vật liệu chế tạo anteen là tấm mạch in 2 mặt có

Biết: Số điện môi ε=¿4.5, độ dày h=1.6mm, giải tần số GSM: f0=1900MHz,c=3x10^8(m/s)( vận tốc ánh sáng)

Giải bài toán

Chiều rộng của mặt bức xạ được tính theo công thức:

W=

c

2fo√ε r+1

2 =48(mm)

Hệ số điện môi hiệu dụng:

Bước 1: Tạo các khối chức năng

Bước 2: Điều chỉnh thông số của các khối

Bước 3: Chạy với kiểu hình chữ nhật (rectangular)

Bước 4: Đưa ra kết quả của kiểu hình chữ nhật ,hình lục giác,hình tròn

Bước 5: Nhận xét và đánh giá mô phỏng

CHƯƠNG 4 THỰC THI THIẾT KẾ TRÊN ỨNG DỤNG SYSTEMVUE

4.1 Thực thi thiết kế anten hình chữ nhật

Bước 1: Tạo các khối chức năng.

Hình 4.5 Tạo khối đầu vào

Hình 4.6 Tạo khối khuếch đại

Hình 4.7 Tạo khối điều khiển trọng số

Hình 4.8 Tạo khối điều khiển mảng anten

Hình 4.9 :Tạo khối hiện thị

Hình 4.10 Sơ đồ khối

Bước 2: Điều chỉnh thông số của các khối.

Hình 4.11 Thông số khối đầu vào

Hình 4.12 Thống số khối khuếch đại

Hình 4.13 Thông số khối điều khuyển trọng số

Hình 4.14 Thông số khối điều khuyển mảng

Hình 4.15 Thông số khối hiện thị búc xạ anten

Hình 4.16 T hông số khối hiện thị mảng anten.

Bước 3: Chạy với kiểu hình chữ nhật (rectangular).

Hình 4.17 Chạy mô phỏng kiểu hình chữ nhật

4.2 Kết quả và nhận xét

4.2.1 Rectangular array

Hình 1: giản đồ bức xạ của mảng anten hình chữ nhật và hiển thị 64 mảng antenxếp theo hình chữ nhật

4.2.2 Hexagonal Array (aka "triangular")

Hình 2: giản đồ bức xạ của mảng anten hình lục giác và hiển thị 64 mảng antenxếp theo hình lục giác

- Góc quét: 𝜙 = 0◦ và 𝜃 = 90◦

- Hệ số tổn hao: -5.16 dB10

- Hướng sóng: phần năng lượng (phần màu đỏ) trong giản đồ bức xạ tập trung lớn tại một hướng nhưng vẫn có một phần năng lượng đi ra các hướng bên ngoài Phần nhiễu (phần màu xanh) còn nhiều

- Tính toán tọa độ ít phức tạp và ít căn sửa hơn => Dễ dàng thực hiện

- Tính toán tọa độ ít phức tạp và ít căn sửa hơn => Dễ dàng thực hiện

- Tính toán tọa độ ít phức tạp và ít căn sửa hơn => Dễ dàng thực hiện