Tài liệu Bùi công danh luận văn final

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG ---------------o0o--------------- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN CỘNG HƯỞNG FABRY – PEROT SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÓ CHIẾT SUẤT GẦN BẰNG KHÔNG Ở BĂNG TẦN X GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng SVTH: Bùi Công Danh TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2018 1410489 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc. -----✩---------✩----Số: ______ /BKĐT Khoa: Điện – Điện tử Bộ Môn: Viễn Thông NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1. HỌ VÀ TÊN: BÙI CÔNG DANH MSSV: 1410489 2. NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG LỚP : DD14KSVT 3. Đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN CỘNG HƯỞNG FABRY – PEROT SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÓ CHIẾT SUẤT GẦN BẰNG KHÔNG Ở BĂNG TẦN X 4. Nhiệm vụ: - Thiết kế anten cộng hưởng Fabry – Perot có độ lợi cao, băng thông rộng - Mô hình thiết kế được mô phỏng trên phần mềm CST STUDIO để kiểm chứng giá thuyết và kết quả mô hình thiết kế. - Chứng minh được sự tối ưu của mô hình anten của Luận Văn bằng cách so sánh với các mô hình cùng loại. - Mô hình trên được đem đi chế tạo, đo thực tế và so sánh với kết quả mô phỏng. 5. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 7. Họ và tên người hướng dẫn: TS. Trịnh Xuân Dũng Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn. Tp.HCM, ngày…... tháng….. năm 2018 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ):....................... Đơn vị:...................................................... Ngày bảo vệ : ........................................... Điểm tổng kết: ......................................... Nơi lưu trữ luận văn: ............................... NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc. -----✩---------✩----Tp.HCM, ngày…... tháng….. năm 20 PHIẾU CHẤM ĐIỂM BẢO VỆ LVTN (Dành Cho Giáo Viên Hướng Dẫn LVTN) 1. HỌ VÀ TÊN: BÙI CÔNG DANH MSSV: 1410489 2. NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG LỚP : DD14KSVT 3. Đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN CỘNG HƯỞNG FABRY – PEROT SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÓ CHIẾT SUẤT GẦN BẰNG KHÔNG Ở BĂNG TẦN X 4. Họ và tên người hướng dẫn: TS. TRỊNH XUÂN DŨNG 5. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang .............. Số chương ............... Số bảng số liệu .............. Số hình vẽ ............... Số tài liệu tham khảo .............. Phần mềm tính toán ............... 6. Những ưu điểm chính của LVTN: ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ 7. Những thiếu sót chính của LVTN: ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ 8. 3 câu hỏi sinh viên trả lời trước Hội Đồng: a. ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... b. ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... c. ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 9. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): ……………….Điểm ……………………. Ký tên (ghi rõ họ tên) Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc. -----✩---------✩----Tp.HCM, ngày…... tháng….. năm 20 PHIẾU CHẤM ĐIỂM BẢO VỆ LVTN (Dành Cho Giáo Viên Phản Biện LVTN) 1. HỌ VÀ TÊN: BÙI CÔNG DANH MSSV: 1410489 2. NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG LỚP : DD14KSVT 3. Đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN CỘNG HƯỞNG FABRY – PEROT SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÓ CHIẾT SUẤT GẦN BẰNG KHÔNG Ở BĂNG TẦN X 4. Họ và tên người phản biện: …………………………………… 5. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang .............. Số chương ............... Số bảng số liệu .............. Số hình vẽ ............... Số tài liệu tham khảo .............. Phần mềm tính toán ............... 6. Những ưu điểm chính của LVTN: ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ 7. Những thiếu sót chính của LVTN: ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ 8. Đề nghị: Được bảo vệ , Bổ sung thêm để bảo vệ , 9. 3 câu hỏi sinh viên trả lời trước Hội Đồng: Không được bảo vệ . a. ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... b. ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... c. ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 10. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): ……………….Điểm …………………. Ký tên (ghi rõ họ tên) Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng LỜI CẢM ƠN Kể từ khi tín hiệu radio đầu tiên được phát sóng đi vào thế kỷ XVIII, con người vẫn luôn theo đuổi mục tiêu truyền tín hiệu với quãng đường dài đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong thông tin liên lạc thực tiễn. Thêm vào đó sự phát triển mạnh mẽ của internet, các thiết bị thông minh dẫn đến nhu cầu của con người ngày càng cao đưa đến những thách thức liên quan đến việc truyền gửi những thông tin đi xa. Từ những thực tiễn đó, kích thích sự tò mò, tìm hiểu của con người, và là nguồn cảm hứng cho các phát minh ra đời. Là một sinh viên khoa điện trường đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh, với những kiến thức đã học cùng với mong muốn được tìm hiểu và được thử sức thiết kế một đề tài hay và thú vị trong việc thực thi các nhu cầu của con người trong việc truyền dẫn tín hiệu. Đề tài “Thiết kế, chế tạo anten cộng hưởng Fabry – Perot sử dụng vật liệu có chiết suất gần bằng không ở băng tần X” mà em chọn cho luận văn tốt nghiệp là sẽ giải quyết những vấn đề trong việc thiết kế anten cao tần số có độ lợi cao, đó sẽ là phần tử không thể thiếu trong các hệ thống truyền thông, trong các ứng dụng dân dụng và quân sự truyền hình, radar dẫn đường, hệ định vị, thông tin di động,... Em muốn gửi lời cảm ơn đến công ty Roger đã cung cấp cho em 2 tấm substrate Roger RT5880 và Đại học Quốc Tế đã hỗ trợ cho việc đo đạc. Hơn tất cả, trong quá trình thực hiện bài báo cáo của mình, em đã cố gắng hết sức để hoàn thành một cách tốt nhất. Nhưng với kiến thức và sự non nớt khi mới thực hiện nên khó tránh khỏi những sai sót mong thầy cô đóng góp để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Trịnh Xuân Dũng đã nhiệt tình quan sát, giúp đỡ và hướng dẫn em qua từng yêu cầu của đề tài. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 6 năm 2018 Sinh viên Bùi Công Danh SVTH: Bùi Công Danh i Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng TÓM TẮT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Luận Văn Tốt Nghiệp tập trung vào việc thiết kế anten độ lợi cao, băng thông rộng nhằm giải quyết vấn đề suy hao trong việc truyền nhận tín hiệu khi sóng lan truyền trong không khí và tăng số lượng kênh tần số cho phép đa ứng dụng ở băng tần X (8 – 12 GHz). Để thực hiện được mục tiêu, Luận Văn trình bày các nội dung sau: - Đầu tiên là những khái niệm và nguyên lý cơ bản. Để đánh giá được một thiết bị cao tần nào, ta cần khái niệm về bộ thông số tán xạ (S-parameters) và để đánh giá hoạt động của một anten nào, ta cần biết phân cực và đồ thị bức xạ của nó. - Tiếp theo là phân tích cách tăng độ lợi truyền thống, dùng mảng anten, không còn phù hợp vì kích cỡ lớn và mạch chia công suất phức tạp. Từ đó, Luận Văn đề xuất dùng anten cộng hưởng Fabry – Perot để tăng độ lợi mà không cần dùng đến mạch chia công suất trên. Mô hình và nguyên tắc hoạt động của anten cộng hưởng Fabry – Perot được trình bày chi tiết, trong đó lớp phản xạ một phần (partially reflective surface) đóng vai trò quan trọng của toàn bộ mô hình. Vì vậy, Luận Văn đề xuất mô hình thiết kế của lớp phàn xạ này đề đạt được chiết suất gần bằng không nhằm tăng độ lợi của loại anten này. - Sau đó, do công thức không sẵn có nên trong quá trình mô phỏng, Luận Văn rút ra được nhiều kinh nghiệm và trình bày phương pháp thiết kế, chọn các thông số để anten hoạt động tốt nhất. - Kết quả sau khi tối ưu được thể hiện, đạt được độ lợi 16.7 dBi với 12% băng thông chung. Kết quả này được so sánh với các mô hình cùng loại gần đây. - Cuối cùng, mô hình thiết kế cùng bộ thông số tối ưu được đem đi chế tạo, đo đạc tại trường Đại học Quốc Tế và so sánh với kết quả mô phỏng SVTH: Bùi Công Danh ii Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i TÓM TẮT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ..................................................................... ii DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA .............................................................................. iv DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU................................................................................ viii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ......................................................................................1 1.1. Tổng quan ..........................................................................................................1 1.2. Mục tiêu của Luận Văn Tốt Nghiệp ..................................................................3 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN .....................................................................4 2.1. Bộ thông số tán xạ..............................................................................................4 2.2. Phân cực của anten .............................................................................................5 2.3. Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern) ......................................................................8 2.4. Anten vi dải (Patch Antenna) ...........................................................................10 CHƯƠNG 3: ANTEN CỘNG HƯỞNG FABRY – PEROT VÀ VẬT LIỆU CÓ CHIẾT SUẤT GẦN BẰNG KHÔNG .................................................................23 3.1. Anten cộng hưởng Fabry – Perot .....................................................................23 3.2. “Vật liệu” có chiết suất gần bằng 0 ..................................................................26 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA ANTEN .....................................31 4.1 Nguyên tắc tối ưu hóa ......................................................................................31 4.2. Ví dụ minh họa cho phương pháp tối ưu .........................................................32 CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH ANTEN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ........................39 5.1. Cấu trúc PRS ....................................................................................................39 5.2. Mô hình thiết kế anten cộng hưởng Fabry – Perot ..........................................43 5.3. Hình ảnh và kết quả đo thực tế ........................................................................53 5.4. Kết luận và hướng phát triển đề tài ..................................................................55 CHƯƠNG 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 56 CHƯƠNG 7: PHỤ LỤC .........................................................................................58 SVTH: Bùi Công Danh iii Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Hình 2-1 Mạng N cửa bất kì.................................................................................. 4 Hình 2-2 S11 của anten vi dải ................................................................................. 5 Hình 2-3 Ví dụ về PLF, lệch phân cực.................................................................. 7 Hình 2-4 Ví dụ về phân cực hình elip ................................................................... 8 Hình 2-5 Ví dụ về đồ thị bức xạ dạng 3D của một anten ..................................... 9 Hình 2-6 Anten vi dải cấp nguồn bằng khe hở ................................................... 10 Hình 2-7 Anten vi dải cấp nguồn bằng cáp đồng trục ........................................ 10 Hình 2-8 Anten vi dải cấp nguồn bằng đường dây truyền sóng ......................... 11 Hình 2-9 Cấu trục anten vi dải – hướng nhìn ngang ........................................... 11 Hình 2-10 Cấu trúc anten vi dải – hướng nhìn nghiêng trên và dưới ................. 12 Hình 2-11 Minh họa trường điện 𝐸 của một anten vi dải ................................... 13 Hình 2-12 Mô phỏng trường 𝐸 trên (a) patch (b) substrate ................................ 14 Hình 2-13 Phân bố trở kháng Z của patch dựa trên điện áp V và dòng I trên patch .................................................................................................................... 14 Hình 2-14 So sánh anten vi dải khi dùng vật liệu FR4 và Roger 5880 .............. 15 Hình 2-15 Mô hình anten vi dải bị cắt góc ......................................................... 16 Hình 2-16 Đồ thị bức xạ của anten vi dải dạng 3D............................................. 16 Hình 2-17 S11 của anten vi dải ............................................................................ 17 Hình 2-18 Anten vi dải xếp chồng – cấp nguồn riêng ........................................ 18 Hình 2-19 Anten vi dải xếp chống – Chỉ cấp nguồn cho patch trên ................... 18 Hình 2-20 Anten vi dải xếp chồng – chỉ cấp nguồn cho patch dưới................... 19 Hình 2-21 Mô hình anten vi dải phân cực tròn – Thông số của anten vi dải...... 20 Hình 2-22 S11 của anten vi dải xếp chồng ........................................................... 20 SVTH: Bùi Công Danh iv Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng Hình 2-23 Axial Ratio của anten vi dải xếp chồng ............................................. 21 Hình 2-24 Độ lợi theo tần số của anten vi dải xếp chồng ................................... 21 Hình 2-25 Độ lợi của phân cực tròn phải (RH) của anten vi dải xếp chồng ...... 21 Hình 2-26 Độ lợi của phân cực tròn trái của anten vi dải xếp chồng ................. 22 Hình 3-1 Mô hình và nguyên lý hoạt động giao thoa kế Fabry – Perot.............. 24 Hình 3-2 Mô hình cơ chế hoạt động anten cộng hưởng Fabry – Perot sử dụng PRS ...................................................................................................................... 24 Hình 3-3 Mô hình anten Fabry – Perot đầy đủ ................................................... 25 Hình 3-4 Mô hình siêu vật liệu Split Ring Resonator – cấu trúc unit cell .......... 27 Hình 3-5 Mô hình siêu vật liệu Split Ring Resonator – cấu trúc đầy đủ ............ 27 Hình 3-6 Độ điện môi của siêu vật liệu Split Ring Resonator ............................ 28 Hình 3-7 Độ từ thẩm của siêu vật liệu Split Ring Resonator.............................. 28 Hình 3-8 Chiết suất của siêu vật liệu Split Ring Resonator ................................ 28 Hình 3-9 Định luật Snell – Tia tới và tia khúc xạ ............................................... 29 Hình 3-10 Mô hình phân tích hoạt động của PRS .............................................. 30 Hình 4-1 Thay đổi giá trị Lp – anten vi dải cơ bản .............................................. 33 Hình 4-2 Thay đổi Wp – anten vi dải cơ bản ....................................................... 33 Hình 4-3 Thay đổi Lp – anten vi dải phân cực tròn ............................................. 34 Hình 4-4 Thay đổi Wp – anten vi dải phân cực tròn ............................................ 34 Hình 4-5 Thay đổi Yg lần 1 – anten vi dải phân cực tròn .................................... 35 Hình 4-6 Thay đổi Xcut – anten vi dải phân cực tròn ........................................... 35 Hình 4-7 Thay đổi Yg lần 2 – anten vi dải phân cực tròn .................................... 36 Hình 4-8 Thay đổi Ycut – anten vi dải phân cực tròn ........................................... 36 Hình 4-9 Kết quả sau khi tối ưu hóa anten vi dải phân cực tròn ........................ 37 Hình 4-10 Đồ thị bức xạ theo độ lợi dạng 3D tại 9 GHz .................................... 37 SVTH: Bùi Công Danh v Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng Hình 4-11 Đồ thị bức xạ dạng 2D theo mặt phẳng xz tại 9 GHz ........................ 38 Hình 4-12 Hiệu suất bức xạ và hiệu suất toàn phần............................................ 38 Hình 4-13 Trường điện 𝐸 trên patch tại 2 pha cách nhau 900............................. 38 Hình 5-1 Cấu trúc phần tử cơ bản PRS ............................................................... 39 Hình 5-2 Mô hình phân tích phần tử cơ bản PRS ............................................... 40 Hình 5-3 Bộ thông số tán xạ của phần tử cơ bản PRS (a) Biên độ (b) Pha ........ 40 Hình 5-4 Kết quả của phần tử cở bản PRS (a) Chiết suất (b) Trở kháng ........... 41 Hình 5-5 Độ lợi của thiết kế [12] theo kích cỡ của mảng PRS.......................... 42 Hình 5-6 Mảng PRS dạng đồng nhất .................................................................. 43 Hình 5-7 Mảng PRS dạng “gọt”.......................................................................... 43 Hình 5-8 Mô hình thiết kế tổng quát của anten cộng hưởng Fabry – Perot ....... 44 Hình 5-9 Ảnh hưởng góc nghiêng θ đến S11 trong mô hình tổng quát ............... 44 Hình 5-10 Ảnh hưởng góc nghiêng θ đến Axial Ratio trong mô hình tổng quát 45 Hình 5-11 Ảnh hưởng góc nghiêng θ đến độ lợi trong mô hình tổng quát......... 45 Hình 5-12 So sánh S11 giữa trường hợp dùng mảng dạng “gọt” (tapered)........ 46 Hình 5-13 So sánh Axial Ratio giữa trường hợp dùng mảng dạng “gọt” (tapered) ............................................................................................................................. 46 Hình 5-14 So sánh độ lợi (gain) giữa trường hợp dùng mảng dạng “gọt” (tapered)............................................................................................................... 46 Hình 5-15 S11 của anten cộng hưởng Fabry – Perot ........................................... 47 Hình 5-16 Axial Ratio và độ lợi của anten cộng hưởng Fabry – Perot .............. 48 Hình 5-17 Đồ thị bức xạ anten cộng hưởng Fabry – Perot tại ............................ 48 Hình 5-18 Nguồn bức xạ: anten vi dải cấp nguồn bằng khe hở của [14] ........... 49 Hình 5-19 Mô hình phần tử cơ bản PRS và mảng PRS của [14]........................ 49 Hình 5-20 Kết quả mô phỏng S11 của [14].......................................................... 50 SVTH: Bùi Công Danh vi Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng Hình 5-21 Kết quả mô phỏng Axial Ratio của [14] ............................................ 50 Hình 5-22 Kết quả mô phỏng độ lợi của [14] ..................................................... 50 Hình 5-23 Mô hình anten của [15] ...................................................................... 51 Hình 5-24 Kết quả mô phỏng S11 của [15] ........................................................ 51 Hình 5-25 Kết quả mô phỏng độ lợi và Axial Ratio của [15]............................. 52 Hình 5-26 Anten vi dải ở lớp dưới khi chế tạo ................................................... 53 Hình 5-27 Anten vi dải lớp trên khi chế tạo........................................................ 53 Hình 5-28 Mảng PRS khi chế tạo ....................................................................... 54 Hình 5-29 Mô hình anten cộng hưởng Fabry – Perot hoàn chỉnh ...................... 54 SVTH: Bùi Công Danh vii Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU Bảng 2-1 Thông số vật liệu của FR4 và Roger 5880 .......................................... 13 Bảng 2-2 Thông số anten vi dải xếp chồng phân cực tròn.................................. 22 Bảng 4-1 Thông số khởi tạo anten vi dải cơ bản ................................................ 32 Bảng 4-2 Thông số anten vi dải phân cực tròn sau khi tối ưu hóa ..................... 38 Bảng 5-1 Thông số phần tử cơ bản PRS ............................................................. 39 Bảng 5-2 Thông số của anten vi dải xếp chồng .................................................. 44 Bảng 5-3 Thông số của mảng PRS dạng “gọt” ................................................... 44 Bảng 5-4 So sánh giữa các mô hình thiết kế anten cộng hưởng Fabry – Perot .. 52 SVTH: Bùi Công Danh viii Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1. Tổng quan Nhân loại đã đạt được rất nhiều tiến bộ kỹ thuật kể từ khi ngành truyền thông vô tuyến được khởi xướng và phát triển bởi Nicholas Tesla và Guglielmo Marconi vào thập niên năm 1900. Dọc theo dòng chảy lịch sử, chúng ta đã được chứng kiến và sử dụng những tiến bộ ấy vào đời sống, chúng ta đã có thể nói chuyện được với người khác không chỉ trong vòng thành phố chúng ta đang sống, mà còn có thể ở thành phố khác, tỉnh khác, thậm chí là ở quốc gia khác mà không cần phải gặp trực tiếp bằng một thiết bị, được coi là thần kỳ ở thời đại đó, điện thoại. Ở những bước phát triển đầu tiên, chúng ta cần phải dùng nguồn lực con người để có thể thực hiện được điều thần kỳ này, tuy nhiên, sau nhiều năm cải tiến, mọi thử đã dần trở nên tự động hóa, cuộc gọi giờ đây đã trở nên rẻ và tiện lợi hơn. Không dừng lại ở đó, với sự bùng nổ của Internet, chúng ta không chỉ có thể thực hiện cuộc gọi với giọng nói mà cả khuôn mặt chúng ta nữa, bằng những chiếc camera đặt trước các thiết bị laptop, điện thoại thông minh,… sử dụng các ứng dụng hỗ trợ như Facebook, FaceTime, Skype,… Sự phát triển không dừng lại ở đó, con người giờ đây muốn kết nối tất cả mọi thử lại với nhau, hãy tưởng tượng rằng nếu chúng ta có thể điều khiển các thiết bị trong nhà như cánh cửa, các thiết bị chiếu sáng, … chỉ bằng các nút bấm trên điện thoại thông minh hoặc thiết bị di chuyển có thể tự “trao đổi thông tin” để biết rằng đoạn đường nào đang bị kẹt xe, đang có xe cấp cứu,… để mà tự kiếm được con đường khác và tìm được con đường đi tốt nhất. Cuộc sống của con người sẽ trở nên dễ dàng, tiện lợi hơn khi thông tin về thế giới sống luôn được cập nhật theo thời gian thực, các thiết bị có thể tự quyết định để xử lý kịp thời mà không cần con người can thiệp. Khái niệm này thường được biết dưới tên là Internet of Things (IoT). Một trong những khó khăn của việc kết nối mọi thứ lại với nhau là khoảng cách “liên lạc” giữa chúng. Giả sử, người A đang muốn nói chuyện với người B, họ chỉ có thể nói chuyện với nhau trong một khoảng cách nhất định, nếu xa hơn, họ không nghe SVTH: Bùi Công Danh 1 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng thấy nhau nói gì. Nếu người A lấy một tờ giấy gấp lại thành hình nón, người B có thể nghe được ở khoảng cách xa hơn một chút. Vì vậy, khoảng cách nói chuyện giữa 2 người phụ thuộc vào chiếc loa giấy này, chiếc loa càng tốt, khoảng cách nói chuyện sẽ càng xa. Mô hình chiếc loa này và khả năng tập trung giọng nói của nó được biết dưới dạng một linh kiện trong hệ thống viễn thông, anten. Anten là linh kiện quyết định việc truyền nhận tín hiệu vô tuyến của thiết bị. Anten được phân loại khác nhau dựa trên đặc tính bức xạ của nó, các loại phổ biến thường là đẳng hướng (bức xạ toàn bộ vùng xung quanh theo hình cầu) hoặc lưỡng cực (chỉ bức xạ ở 2 vùng 2 bên). Nhưng để thực hiện việc nói chuyện theo kiểu gấp giấy hình nón như trên, anten cần phải bức xạ có định hướng (directional). Việc bức xạ có định hướng giúp anten tập trung cường độ tín hiệu tại một vị trí xác định, tuy là ở các vị trí khác ngoài vị trí chỉ định sẽ nhận được rất ít hoặc không có tín hiệu, nhưng tín hiệu cần được truyền đi sẽ được truyền đi xa hơn ở vị trí mong muốn. Nếu thực hiện được điều này, việc truyền nhận sẽ được tiến hành tốt hơn do không xuất hiện tín hiệu của thiết bị khác ở cùng vị trí bức xạ. Không chỉ việc bức xạ mà băng thông của anten cũng đóng vai trò quan trọng. Theo sự tiến bộ và phát triển của khoa học kỹ thuât, các ứng dụng hiện nay mong muốn có được băng thông rộng vì theo định lý Shannon-Nyquist (1-1), khi ta có băng thông (B) càng cao thì tốc độ bit (C) cũng tăng theo tỉ lệ thuận nếu giữ nguyên tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Không chỉ thế, băng thông càng cao đồng nghĩa với việc ta có thể chia được nhiều kênh hơn, từ đó mà có thể có nhiều ứng dụng khác nhau. Vì vậy, băng thông rộng là một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng hoạt động của một anten. 𝐶 = 𝐵 ∗ 𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝑆𝑁𝑅) SVTH: Bùi Công Danh (1-1) 2 Luận Văn Tốt Nghiệp 1.2. GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng Mục tiêu của Luận Văn Tốt Nghiệp Các hệ thống anten có độ lợi cao và băng thông rộng ngày càng được sử dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin vô tuyến. Phương pháp truyền thống được sử dụng để thiết kế các hệ thống anten là phương pháp mảng anten. Luận Văn này sẽ trình bày một hướng tiếp cận mới, đó là trình bày về nguyên lý hoạt động, thực hiện thiết kế và mô phỏng đề tài “Thiết kế, chế tạo anten cộng hưởng Fabry – Perot sử dụng vật liệu có chiết suất gần bằng 0 ở băng tần X” trên phần mềm CST STUDIO. Kết quả mô phỏng và đo kiểm thực nghiệm thể hiện các ưu điểm của thiết kế này so với phương pháp truyền thống. Lý do cho việc chọn băng tần X là vì băng tần X thường được sử dụng cho ứng dụng radar hiện đại, phù hợp với nhu cầu anten có định hướng và băng thông rộng. Để thực hiện các mục tiêu đã nêu, Luận Văn Tốt Nghiệp xin trình bày các nội dụng chính cần đạt như sau: Nội dung 1: Các lý thuyết cơ bản của một anten. Nội dung 2: Mô hình và nguyên lý hoạt động của anten Fabry – Perot. Nội dung 3: Mô hình và nguyên lý của vật liệu chiết suất gần bằng không. Nội dung 4: Thực hiện thiết kế và mô phỏng trên phần mềm CST STUDIO. Nội dung 5: Chế tạo và thực hiện đo đạc thực tiễn. SVTH: Bùi Công Danh 3 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN Để hiểu rõ và đành giá hoạt động của bất kì một anten nào, ta cần kết quả về Bộ thông số tán xạ (S-parameters) , phân cực và đồ thị bức xạ (Radiation Pattern) của anten đó. 2.1. Bộ thông số tán xạ Bộ thông số tán xạ (S-parameters) mô tả mối quan hệ giữa sóng tới và sóng phản xạ tại các cổng của một mạch hoặc mạng cao tần. Ta xét trường hợp tổng quát, cụ thể là mạng N cửa, trong đó các sóng tới các cổng là 𝑉1+ , 𝑉2+ , …, 𝑉𝑁+ và các sóng phản xạ là 𝑉1− , 𝑉2− , …, 𝑉𝑁− được mô tả qua hình 2.1 dưới đây. Hình 2-1 Mạng N cửa bất kì (Nguồn: Microwave Engineering – David M. Pozar, tái bản lần 4) Khi đó, ta có ma trận tán xạ (S-parameters) như sau [1] 𝑆11 𝑉1− 𝑆21 𝑉2− [ ]= … … − 𝑉𝑁 [𝑆𝑁1 SVTH: Bùi Công Danh 𝑆12 𝑆22 … 𝑆𝑁2 … 𝑉1+ 𝑉2+ =[ ] … 𝑉𝑁+ 𝑆𝑁𝑁 ] 𝑆1𝑁 … (2-1) 4 Luận Văn Tốt Nghiệp Với 𝑆𝑖𝑗 = 𝑉𝑖− 𝑉𝑗+ GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng (𝑉𝑘+ = 0 𝑘ℎ𝑖 𝑘 ≠ 𝑗). Có thể hiều (2-1) như sau : 𝑆𝑖𝑗 có được bằng cách cho port j với sóng tới có biên độ là 𝑉𝑗 , ta có được sóng phản xạ có biên độ 𝑉𝑖 tại port i trong điều kiện tất cả các port khác không được có sóng phát ra trừ port j. Ma trận tán xạ S-parameter là một tiêu chí đánh giá cực kì quan trọng của bất kì thiết bị cao tần nào, nó cho ta biết được khi hoạt động, có bao nhiêu phần công suất bị phản xạ lại và bao nhiêu công suất thực sự được truyền đi. Thông thường, ở mạng 2 cửa, ta muốn công suất truyền đi là tối đa và công suất bị phản xạ lại là tối thiểu. Tiêu chuẩn để đánh giá công suất truyền đi gần hết là 𝑆11 (𝑆22 ) < -10 dB. Từ đồ thị tán xạ, ta cũng đánh giá được băng thông trở kháng của anten bằng cách lấy tần số trên trừ đi tần số dưới, chẳng hạn như ở hình 24, ta có băng thông BW = 9.3723 - 8.7743 = 0.598 GHz. Hoặc có thể nói là băng thông 6.6% (so với tần số trung Hình 2-2 S11 của anten vi dải 2.2. tâm). Phân cực của anten Anten là linh kiện truyền nhận sóng điện từ. Đặc trưng của anten chính là trường điện từ mà nó phát đi và có thể thu vào. Ta có mối liên hệ tổng quát của trường điện từ ⃗ ⊥ 𝑟 (𝐸⃗ là vectơ trường điện, 𝐻 ⃗ là vectơ trường từ và 𝑟 của một anten bất kỳ là 𝐸⃗ ⊥ 𝐻 là hướng bức xạ của trường điện từ). Để thuận tiện cho việc đánh giá và nhận xét, ta chỉ cần xét đến trường điện 𝐸⃗ và hướng bức xạ 𝑟 của anten. SVTH: Bùi Công Danh 5 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng Phân cực của anten được định nghĩa là đặc tính của trường điện từ mô tả hướng di chuyển theo thời gian và biên độ tương đối của trường điện. Cụ thể hơn, đó là một hình biểu diễn một hàm theo thời gian tại một vị trí cố định trong không gian và hình vẽ do nó biểu diễn, được quan sát dọc theo hướng lan truyền của nó [2]. Phân cực của anten thường được chia làm 3 loại : tuyến tính, hình elip hoặc tròn. Nếu vectơ trường điện 𝐸⃗ tại một điểm trong không gian luôn di chuyển trên một đường thẳng, ta nói đó là phân cực tuyến tính. Nếu nó có hình dạng là một hình elip, ta nói đó là phân cực hình elip và tương tự đối với hình tròn. Phân cực tuyến tính và phân cực tròn là 2 trường hợp đặc biệt của phân cực elip, có thể có được khi hình elip trở thành đường thẳng hoặc hình tròn [2]. 𝑃𝑅 = 𝑃𝑇 𝐺𝑇 𝐺𝑅 ( 𝜆 2 ) 𝑃𝐿𝐹 4𝜋𝑅 (2-2) 𝑃𝑅 : Công suất nhận được (W) 𝑃𝑇 : Công suất phát (W) 𝐺𝑇 : Độ lợi anten phát 𝐺𝑅 : Độ lợi anten thu 𝜆: Bước sóng trong chân không (m) R: Khoảng cách giữa bên phát và thu (m) PLF = (|𝜌̂ ̂𝑎 |)2 (𝜌̂ ̂𝑎 lần lượt là vectơ đơn vị phân cực của anten phát và thu) 𝑤. 𝜌 𝑤 và 𝜌 Phân cực tuyến tính là loại phân cực đơn giản nhất trong 3 loại phân cực. Mặc dù đường thẳng trong không gian có vô số hướng nhưng trong thực tế, phân cực tuyến tính được chia làm 2 kiểu chỉnh là phân cực tuyến tính ngang (horizontal) và phân cực tuyến tính dọc (vertical). Phân cực tuyến tính được coi là phân cực tuyến tính ngang nếu nó song song với mặt đất và dọc nếu nó vuông góc với mặt đất. Phân cực tuyến tính có nhược điểm rất lớn là rất dễ bị lệch phân cực. Trong công thức Friis [2] (2-2) về công suất nhận được giữa thiết bị phát và thu, ta có tích vô hướng giữa phân cực của anten phát và phân cực của anten thu. Có thể dễ dàng suy luận ra rằng, nếu 2 phân cực này vuông góc với nhau, ta sẽ không nhận được tín hiệu hoặc tín hiệu nhận được sẽ rất yếu, việc này rất dễ xảy ra trong thực tế, điển hình là điện thoại, rất dễ mất sóng nếu cầm ở vị trí vuông góc với phân cực của anten. Trái với phân cực tuyến tính, phân cực tròn SVTH: Bùi Công Danh 6 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng khó đạt được nhưng kết quả thu được lại rất xứng đáng. Phân cực tròn có thể chia làm 2 loại là phân cực tròn trái và phân cực tròn phải (cùng hoặc ngược chiều kim đồng hồ dọc theo hướng lan truyền), cả hai đều ít bị ảnh hưởng bởi lệch phân cực, nếu phân cực giữa anten phát và thu là phân cực tròn và phân cực tuyến tính, tín hiệu vẫn nhận được tuy nhiên chỉ bị suy hao 3 dB [2]. Tuy nhiên, phân cực tròn vẫn có thể có trường hợp PLF = 0. Đó là trường hợp khi 2 thiết bị thu phát đối diện nhau, nếu cả 2 đều cùng 1 loại phân cực trái (hoặc phải), thiết bị thu sẽ không nhận được tín hiệu do dù phân cực anten phát là tròn trái (hoặc phải), nhưng ở góc nhìn của thiết bị thu, nó sẽ trở thành tròn phải (hoặc trái), 2 phân cực này sẽ lệch nhau một góc 90° và bên thu sẽ không nhận được tín hiệu hoặc tín hiệu rất yếu do PLF. Hình 2-3 Ví dụ về PLF, lệch phân cực Để đạt được phân cực tuyến tính, anten chỉ cần có một thành phần (x, y), (ngang ,dọc) hoặc 2 thành phần vuông góc lệch pha theo thời gian một góc 180° . Còn đối với phân cực tròn, cần phải hội tụ đủ các điều kiện sau: trường điện từ phải có 2 thành phần vuông góc với nhau, 2 thành phần này phải có cùng biên độ và pha theo thời gian của chúng phải lệch số lẻ lần của 90° [2]. Vì thế việc đạt được phân cực tròn khó hơn nhiều so với phân cực tuyến tính. Để biết được anten đã đạt được phân cực tròn hay không, một thông số được dùng để làm tiêu chuẩn xác định là Axial Ratio (Tỉ số trục). Giả sử một anten có phân cực hình elip như hình 2-4, Axial Ratio (AR) được định nghĩa như (2-9) [2] 𝐴𝑅 = SVTH: Bùi Công Danh 𝑇𝑟ụ𝑐 𝑐ℎí𝑛ℎ 𝑇𝑟ụ𝑐 𝑝ℎụ = 𝑂𝐴 𝑂𝐵 , 1 ≤ 𝐴𝑅 ≤ ∞ (2-3) 7 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: TS. Trịnh Xuân Dũng Hình 2-4 Ví dụ về phân cực hình elip Ở trường hợp lý tưởng, phân cực tuyến tính có AR → ∞ và phân cực tròn có AR = 1 (0 dB), phân cực elip có AR ≥ 1. Nhưng trong thực tế, rất khó đạt được giá trị AR lý tưởng nên theo chỉ cần AR ≤ 3 dB là có thể chấp nhận anten đó có phân cực tròn. 2.3. Đồ thị bức xạ (Radiation Pattern) Đồ thị bức xạ theo định nghĩa là một hàm toán học hoặc là một đồ thị biểu diễn đặc tính bức xạ của anten theo tọa độ không gian [2]. Cũng lưu ý rằng đồ thị bức xạ là hàm theo tọa độ không gian nên các thông số của đồ thị không phụ thuộc vào khoảng cách giữa anten đến vị trí cần xét. Đồ thị bức xạ thường được xác định ở vùng trường xa và có thể vẽ được dựa trên cường độ điện trường tại từng vị trí trong không gian (thường được biểu diễn dưới dạng hình cầu và trong thang dB). Dựa vào đồ thị bức xạ, ta có thể biết được cường độ bức xạ, tỉ số trước sau (Front to Back Ratio), búp chính, búp phụ, … nhưng thông số quan trọng nhất cần phải xác định đó là độ định hướng, độ lợi, hiệu suất bức xạ. Mối quan hệ giữa 3 thông số này là [2] 𝐺 = 𝐻. 𝐷 G : độ lợi của anten (2-4) H: hiệu suất bức xạ của anten D : độ định hướng của anten. SVTH: Bùi Công Danh 8