Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu phát triển hệ anten băng thông siêu rộng ứng dụng trong điều kiện làm việc đặc biệt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:124

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử "Nghiên cứu phát triển hệ anten băng thông siêu rộng ứng dụng trong điều kiện làm việc đặc biệt" trình bày các nội dung chính sau: Xây dựng được các luận cứ khoa học để phát triển được hệ anten UWB làm việc trong điều kiện đặc biệt có khả năng chống nhiễu (nhiễu pha đinh) tốt và không gây can nhiễu và trước tiên là ứng dụng vào hệ thống chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu phát triển hệ anten băng thông siêu rộng ứng dụng trong điều kiện làm việc đặc biệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA ĐẶNG ANH TUẤN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ ANTEN BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC ĐẶC BIỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI, NĂM 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA ĐẶNG ANH TUẤN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ ANTEN BĂNG THÔNG SIÊU RỘNG ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC ĐẶC BIỆT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 952 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TSKH NGUYỄN HỒNG VŨ 2. TS. LÂM HỒNG THẠCH HÀ NỘI, NĂM 2023
LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình, cùng với sự hỗ trợ từ các đồng nghiệp thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước, tên đề tài “Nghiên cứu, tiếp nhận và làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo hệ thống truyền tin trên băng thông siêu rộng, ứng dụng xây dựng hệ thống hỗ trợ chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ” được chủ trì bởi Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa – Bộ Công thương phối hợp với Trường Đại học Bách Khoa Saint Peterburg - Cộng hòa Liên bang Nga. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Nghiên cứu sinh xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận án X Đặng Anh Tuấn Đặng Anh Tuấn i
LỜI CẢM ƠN Trước hết nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TSKH. Nguyễn Hồng Vũ, TS. Lâm Hồng Thạch, TS. Nguyễn Thế Truyện các thầy đã hướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học đồng thời hỗ trợ nghiên cứu sinh về nhiều mặt để nghiên cứu sinh có thể hoàn thành bản luận án này. Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa – Bộ Công Thương đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn đồng nghiệp tại trung tâm Công nghệ thông tin và trung tâm Nghiên cứu và Phát triển hệ thống thuộc Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học Tự động hóa và TS. Nguyễn Việt Hưng, giảng viên trường học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã hỗ trợ tôi trong quá trình đo đạc mô hình chế tạo thực nghiệm. Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến mọi thành viên trong gia đình. Sự động viên, giúp đỡ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này. ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... ii MỤC LỤC ..........................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................viii DANH MỤC BẢNG BIỂU................................................................................................. x MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài.................................................................................................. 1 1.1. Công nghệ UWB và hệ thống MIMO ............................................................... 1 1.2. IoT và xu hướng truyền tin không dây thế hệ mới ............................................ 3 1.3. Sự hợp tác giữa VIELINA và SPbPU ............................................................... 4 2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ............................. 5 3. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án ........................................... 6 4. Cấu trúc nội dung của luận án ........................................................................... 7 CHƯƠNG 1. ANTEN TRONG HỆ THỐNG UWB ........................................................ 8 1.1. Công nghệ UWB ............................................................................................... 8 1.1.1. Tổng quan công nghệ UWB ........................................................................... 8 1.1.2. Mô hình truyền dẫn UWB .............................................................................. 9 1.1.3. Ưu điểm của công nghệ UWB ...................................................................... 11 1.1.4. Ứng dụng của công nghệ UWB .................................................................... 12 1.2. Anten UWB..................................................................................................... 14 1.3. Hệ thống MIMO ............................................................................................. 15 1.3.1. Kênh truyền MIMO ...................................................................................... 16 1.3.2. Ưu điểm của hệ thống MIMO ...................................................................... 18 1.4. Anten MIMO .................................................................................................. 19 1.5. Các nghiên cứu khoa học về anten UWB..................................................... 23 1.5.1. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới ............................................................ 23 1.5.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước .............................................................. 26 1.6. Hướng nghiên cứu của luận án ..................................................................... 29 1.7. Kết luận chương I .......................................................................................... 30 CHƯƠNG 2. PHÁT TRIỂN ANTEN UWB ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN TIN TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẶC BIỆT ......................................................................................... 32 iii
2.1. Cơ sở thiết kế Anten cho hệ thống ................................................................ 32 2.1.1. Lựa chọn hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt ............... 32 2.1.2. Yêu cầu kỹ thuật của anten thu và anten phát .............................................. 34 2.2. Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten phát ................................................... 37 2.2.1. Thiết kế anten ............................................................................................... 37 2.2.2. Tính toán, mô phỏng anten ........................................................................... 39 2.2.3. Chế tạo và đo kiểm anten ............................................................................. 42 2.3. Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten thu ..................................................... 43 2.3.1. Thiết kế anten ............................................................................................... 43 2.3.2. Tính toán, mô phỏng anten ........................................................................... 46 2.3.3. Chế tạo và đo kiểm anten ............................................................................. 49 2.4. Kết quả thử nghiệm hệ thống ....................................................................... 52 2.4.1. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm ............................................................ 52 2.4.2. Thử nghiệm thực tế tại xí nghiệp đầu máy xe lửa Hà Nội ........................... 57 2.5. Kết luận chương II ......................................................................................... 59 CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN ANTEN UWB-MIMO SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS .... 61 3.1 Hệ thống truyền tin UWB-MIMO trong điều kiện đặc biệt .......................... 61 3.2 Một số kỹ thuật giảm ảnh hưởng tương hỗ và tăng cường độ cách ly cho Anten UWB-MIMO ................................................................................................................ 61 3.2.1 Thay đổi vị trí và hướng đặt anten ................................................................. 62 3.2.2 Sử dụng mạng cách ly ................................................................................... 63 3.2.3 Sử dụng cấu trúc siêu vật liệu ........................................................................ 63 3.2.4 Sử dụng phần tử ký sinh ................................................................................ 64 3.2.5 Sử dụng phương pháp mặt đế không hoàn hảo DGS .................................... 66 3.3 Đề xuất thiết kế cấu trúc DGS .......................................................................... 67 3.3.1 Nguyên lý hoạt động của cấu trúc DGS ........................................................ 67 3.3.2 Thiết kế cấu trúc DGS ................................................................................... 70 3.4 Đánh giá hiệu quả cách ly của cấu trúc DGS .................................................. 72 3.4.1 Thiết kế anten sử dụng cấu trúc DGS ............................................................ 72 3.4.2 Mô phỏng anten và khảo sát cấu trúc DGS ................................................... 73 3.4.3 Đánh giá hiệu quả cách ly của cấu trúc DGS dùng đường vi dải .................. 75 3.4.4 Chế tạo và đo kiểm ........................................................................................ 76 3.5 Thiết kế anten UWB-MIMO sử dụng cấu trúc DGS đề xuất ........................ 79 iv
3.6 Kết luận chương III ........................................................................................... 87 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 89 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 92 PHỤ LỤC I: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ ................................................................................................................................... 102 1. Yêu cầu hệ thống.............................................................................................. 102 1.1. Các thông số giám sát và lựa chọn cảm biến ................................................. 102 1.2. Các vị trí lắp đặt............................................................................................. 102 2. Mô hình hệ thống ............................................................................................. 104 PHỤ LỤC II: QUY TRÌNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, ĐO KIỂM ANTEN..................... 106 1. Tổng quan quy trình thiết kế, mô phỏng và đo kiểm anten......................... 106 2. Quy trình thiết kế anten .................................................................................. 106 3. Quy trình chế tạo anten................................................................................... 107 4. Quy trình đo kiểm anten ................................................................................. 109 4.1. Đo phối hợp trở kháng ................................................................................... 110 4.2. Đo phương hướng trong buồng không phản xạ (Anechoic Chamber) .......... 111 4.3. Đo độ lợi G .................................................................................................... 112 4.4. Đo phân cực ................................................................................................... 112 v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ANTEN Antenna Ăng-ten AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng Cấu trúc siêu vật liệu điện từ dạng CRLH Composite Right-Left Handed phức hợp CPW Co-planar Waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng CDF Cumulative Distribution Function Đường cong hàm phân phối tích lũy DGS Defected Ground Stucture Mặt đế không hoàn hảo Mạng phối hợp trở kháng hai băng DMN Dual-band Matching Network tần EBG Electromagnetic Band Gap Dải chắn điện từ ECC Envelop Correlation Coefficient Hệ số tương quan đường bao EMF Electromagnetic Field Trường điện từ EWB Extremely Wide-Band Băng thông cực kỳ rộng Federal Communications FCC Ủy ban truyền thông Liên bang Commission Tổn thất đường truyền trong không FSPL Free Space Path Loss gian tự do GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền GND Ground Mặt phẳng đế IoT Internet of Things Mạng lưới vạn vật kết nối Internet ISI Intersymbol Interference Nhiễu liên ký tự Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay LH Left-handed material trái (Siêu vật liệu) LTE Long-Term Evolution Hệ thống thông tin dài hạn MEG Medium Efficiency Gain Hệ số tăng ích hiệu dụng trung bình MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra MoM Method of Moment Phương pháp mô-men MMA Multimode Antenna Anten đa mốt MMR Microstrip Multimode Resonator Bộ cộng hưởng đa-mode dạng vi dải MPA Multiport Antenna Anten đa cổng MPOA Multipolarized Antenna Anten đa phân cực MTM Metamaterial Siêu vật liệu PDA Personal Digital Assistant Thiết bị truy nhập cá nhân PIFA Planar Inverted-F Antenna Anten chữ F-ngược phẳng PSO Particle Swarm Optimization Tối ưu bầy đàn Vật liệu tuân theo quy tắc bàn tay RH Right-handed material phải (Vật liệu thông thường) RE Radiating Element Phần tử bức xạ RX Receiver Máy thu SISO Single Input Single Output Hệ thống một đầu vào một đầu ra vi
Cấu trúc cộng hưởng dạng khe gấp SMLR Slotted Meander Line Resonator khúc SNR Signal-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Saint Peterburg Politechnical SPbPU Đại học Bách khoa Saint Peterburg University TE Transverse Electric Điện trường ngang Transmission Line Decouping TLDN Mạng cách ly đường truyền Network TL-MTM Transmission Line Metamaterial Đường truyền siêu vật liệu TM Transverse Magnetic Từ trường ngang TX Transmiter Máy phát Universal Mobile Hệ thống viễn thông di dộng toàn UMTS Telecommunications System cầu UWB Ultra Wide-Band Băng thông siêu rộng Vietnam Institute of Electronics, Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, VIELINA Informatics and Automation Tự động hóa VNA Vector network analyzer Máy phân tích mạng véc tơ VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số sóng đứng điện áp Worldwide Interoperability for Khả năng tương tác mạng diện rộng WiMAX Microwave Access bằng sóng siêu cao tần WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vô tuyến cá nhân vii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Tín hiệu băng thông siêu rộng sử dụng phương pháp truyền thông xung ..................... 10 Hình 1.2. Phổ tín hiệu UWB sử dụng phương pháp đa băng tần trong miền tần số ..................... 10 Hình 1.3. Phổ tín hiệu UWB sử dụng phương pháp đa băng tần trong miền thời gian [24]......... 11 Hình 1.4. Tổn hao năng lượng trên kênh truyền không dây.......................................................... 16 Hình 1.5. Mô hình hệ thống SISO (a) và MIMO (b) .................................................................... 17 Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt ...................................... 33 Hình 2.2. Kích thước anten phát được thiết kế ............................................................................. 40 Hình 2.3. Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten phát theo tần số trong mặt phẳng E (yOz) ............. 41 Hình 2.4. Đồ thị bức xạ của anten phát UWB tại tần số 3,5GHz.................................................. 41 Hình 2.5. Mô phỏng độ lơi của anten phát theo tần số.................................................................. 42 Hình 2.6. Mẫu chế tạo của anten phát UWB ................................................................................. 42 Hình 2.7. Kết quả đo băng thông của anten UWB ........................................................................ 43 Hình 2.8. Cấu trúc anten loa .......................................................................................................... 44 Hình 2.9. Anten loa TEM cổ điển (a) và Anten loa “Tongue” TEM (b). ..................................... 44 Hình 2.10. Bảng kích thước tối ưu của các tham số đường cong ................................................. 47 Hình 2.11. Tấm phản xạ của anten thu thiết kế ............................................................................. 47 Hình 2.12. Mặt đế anten thu thiết kế ............................................................................................. 47 Hình 2.13. Tấm bức xạ của anten thu thiết kế............................................................................... 47 Hình 2.14. Mô phỏng đồ thị phương hướng của anten thu thiết kế tại 4.5GHz. ........................... 48 Hình 2.15. Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten thu theo tần số trong mặt phẳng E (Oyz). ............ 48 Hình 2.16. Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten thu theo tần số trong mặt phẳng H (Oxy). ........... 49 Hình 2.17. Mô hình mô phỏng a) và hình ảnh chế tạo thực tế b).................................................. 50 Hình 2.18. Kết quả mô phỏng và đo lường thực tế tham số 𝑆11 .................................................. 50 Hình 2.19. Độ rộng búp sóng 3dB theo tần số của anten thu trong mặt phẳng H......................... 50 Hình 2.20. Độ rộng búp sóng 3dB theo tần số của anten thu trong mặt phẳng E ......................... 51 Hình 2.21. Độ lợi của anten thu. ................................................................................................... 51 Hình 2.22. Mô hình thử nghiệm hệ thống UWB. .......................................................................... 53 Hình 2.23. Kiểm tra dữ liệu gói tin ............................................................................................... 54 Hình 2.24. Xung UWB phát đi ...................................................................................................... 55 Hình 2.25. Xung UWB nhận được ................................................................................................ 55 Hình 2.26. Thời gian truyền gói Physical layer packet của bộ phát.............................................. 56 Hình 2.27. Chu kỳ truyền gói tin vật lý ......................................................................................... 56 Hình 2.28. Chu kỳ truyền gói tin ................................................................................................... 57 Hình 2.29. Hình ảnh lắp đặt bộ ..................................................................................................... 58 viii
Hình 2.30. Hình ảnh lắp đặt bộ thu ............................................................................................... 59 Hình 3.1. Ảnh hưởng tương hỗ giữa hai phần tử lưỡng cực đặt gần nhau trong hai trường hợp không có (a) và có phần tử ký sinh (b) .......................................................................................... 64 Hình 3.2. Phân loại DGS ............................................................................................................... 66 Hình 3.3. Các cấu trúc DGS đơn phổ biến .................................................................................... 68 Hình 3.4. Cấu trúc DGS a) Hình dạng, b) Kết quả mô phỏng tham số tán xạ .............................. 68 Hình 3.5. Sơ đồ mạch tương đương LC a) Cấu trúc DGS, b) Bộ lọc thông thấp Butterworth ..... 69 Hình 3.6. Cấu trúc EBG dạng nấm a) Thiết kế, b) Mạch tương đương ....................................... 71 Hình 3.7. Cấu trúc DGS giảm tương hỗ a) Thiết kế, b) Mạch tương đương ................................ 71 Hình 3.8. Thiết kế mạch anten MIMO áp dụng cấu trúc DGS để giảm tương hỗ. ....................... 73 Hình 3.9. Mô hình anten MIMO sử dụng cấu trúc DGS đề xuất .................................................. 74 Hình 3.10. So sánh hiệu năng giữa thiết kế anten MIMO có và không có cấu trúc DGS đề xuất.74 Hình 3.11. Ảnh hưởng của bán kính via đến hệ số tương hỗ của anten MIMO ........................... 75 Hình 3.12. Đường vi dải bổ sung để tăng hiệu năng cấu trúc DGS .............................................. 76 Hình 3.13. Mẫu thử nghiệm mô hình anten MIMO kết hợp cấu trúc DGS. ................................. 77 Hình 3.14. Kết quả đo mẫu anten MIMO ..................................................................................... 77 Hình 3.15. Dòng bề mặt trên mạch anten MIMO ......................................................................... 78 Hình 3.16. Hệ số tương quan của mạch anten MIMO .................................................................. 79 Hình 3.17. Đồ thị bức xạ của anten MIMO .................................................................................. 79 Hình 3.18. Hệ anten MIMO UWB kết hợp cấu trúc DGS ............................................................ 80 Hình 3.19. Tham số kích thước của anten UWB tam giác. ........................................................... 80 Hình 3.20. So sánh kết quả mô phỏng hệ anten MIMO UWB khi có và không có cấu trúc DGS 81 Hình 3.21. Dòng bề mặt trên mạch anten MIMO ......................................................................... 82 Hình 3.22. Đồ thị bức xạ của anten MIMO tại tần số 9.5GHz ..................................................... 82 Hình 3.23. Đồ thị độ lợi và hiệu suất bức xạ của anten MIMO .................................................... 83 Hình 3.24. Đồ thị bức xạ của anten UWB MIMO không có DGS và có DGS(Cổng 1)............... 86 Hình 3.25. Đồ thị bức xạ của anten UWB MIMO khi sử dụng 2 DGS đối xứng ......................... 87 Hình 4.1. Vị trí lắp đặt các phần tử của hệ thống ........................................................................ 103 Hình 4.2. Cấu trúc hệ thống hỗ trợ chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ ................................ 104 Hình 5.1. Quy trình công nghệ thiết kế, chế tạo anten. ............................................................... 106 Hình 5.2. Chế tạo anten bằng phương pháp ăn mòn hóa học. ..................................................... 108 Hình 5.3. Chế tạo anten bằng phương pháp phay CNC. ............................................................. 109 Hình 5.4. Đo Anten sử dụng máy VNA ...................................................................................... 110 Hình 5.5. Minh họa công đoạn đo Anten trong buồng Anechoic ............................................... 111 Hình 5.6. Đo độ lợi và phân cực anten trong buồng câm ............................................................ 112 ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Yêu cầu kỹ thuật chung cho anten UWB ......................................................... 15 Bảng 1-2. So sánh đặc trưng của các cấu trúc anten UWB ............................................... 23 Bảng 2-1. Yêu cầu kỹ thuật của bộ phát và bộ thu UWB .................................................. 35 Bảng 2-2. Chi tiết các tham số của vật liệu Rogers TMM4 ............................................... 37 Bảng 2-3. So sánh kết quả với các nghiên cứu tương đương ............................................. 52 Bảng 2-4. Tỷ lệ truyền thông thành công .......................................................................... 57 Bảng 2-5. Kết quả đánh giá hoạt động của hệ thống......................................................... 58 Bảng 3-1. Kích thước chi tiết của mạch anten MIMO ...................................................... 73 Bảng 3-2. So sánh kết quả DGS với các nghiên cứu tương đương.................................... 87 Bảng 4-1. Dải đo nhiệt độ trên đầu máy ......................................................................... 102 Bảng 4-2. Dải đo áp suất trên đầu máy ........................................................................... 102 Bảng 4-3. Các vị trí đo nhiệt độ trên đầu máy ................................................................ 102 Bảng 4-4. Các vị trí đo áp suất trên đầu máy ................................................................... 103 Bảng 4-5. Các nhóm thông số có vị trí gần nhau ............................................................. 103 x
Mở đầu MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 1.1. Công nghệ UWB và hệ thống MIMO UWB là một công nghệ rất có tiềm năng trong lĩnh vực truyền thông không dây tầm ngắn, cung cấp khả năng truyền thông dữ liệu tốc độ cao. Năm 2002, Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kỳ (FFC - Federal Communication Commission) đã quy định việc sử dụng công nghệ UWB cho các ứng dụng thương mại tại Hoa Kỳ nằm trong dải tần số từ 3,1 đến 10,6 GHz [1]. Công nghệ UWB sử dụng những tín hiệu xung có độ rộng xung rất nhỏ để truyển đi các bit dữ liệu qua môi trường không dây mà không cần thông qua quá trình điều chế cao tần như các hệ thống công nghệ RF thông thường. Tín hiệu xung UWB có tần số xung từ vài GHz cho đến vài chục GHz. Có hai kỹ thuật UWB chủ yếu được sử dụng: kỹ thuật MB-OFDM (Multi-band Orthogonal Frequency Division Multiplexing) và kỹ thuật I-UWB (Impulse-UWB) [2]. Kỹ thuật MB-OFDM sử dụng nhiều băng điều chế OFDM để truyền tốc độ cao, dải tần của UWB từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz được chia thành các dải tần nhỏ hơn (subband), mỗi subband có băng thông lớn hơn 500MHz (theo quy định), kỹ thuật MB-OFDM được ứng dụng trong những truyền thông tốc độ từ 53Mbps đến 480Mbps [3]. Trong khi đó kỹ thuật I-UWB sử dụng các xung cực ngắn
Mở đầu tăng tốc độ truyền tin bằng cách sử dụng các hệ thống MIMO. Trong một môi trường nhiều tán xạ, Telatar cho thấy rằng dung lượng của hệ thống bao gồm M anten truyền và N anten nhận là min(M, N) lần so với một hệ thống thu phát đơn [6]. Hệ thống MIMO khai thác sự đa dạng của các đặc tính anten (không gian, phân cực hoặc đa dạng mẫu) để tăng cường độ của tín hiệu truyền và do đó cải thiện hệ số SNR (Signal-to-Noise Ratio). Ghép kênh không gian hoặc các kỹ thuật Beamforming trong các hệ thống MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu hoặc tăng cường độ tín hiệu. Các ứng dụng của MIMO bao gồm truyền hình kỹ thuật số (DTV), mạng cục bộ không dây (WLAN), mạng khu vực đô thị (MAN) và thông tin di động. Tiêu chuẩn IEEE về công nghệ MIMO là 802.11n. Có thể thấy rằng, trong khi UWB là một giải pháp nhằm giải quyết nhu cầu thông tin liên lạc tốc độ cao thì việc sử dụng đồng thời công nghệ UWB và hệ thống MIMO với nhau trong các hệ thống không dây đã giải quyết được rất nhiều bài toán phức tạp. Trong một ví dụ cụ thể, công nghệ UWB được áp dụng cho các hệ thống WPAN và WBAN trong các môi trường chịu ảnh hưởng của nhiễu đa đường và nhiễu liên ký tự. Do đó để khắc phục vấn đề này, hệ thống MIMO có thể được sử dụng để khai thác môi trường tán xạ như vậy. Điều quan trọng hơn là các ứng dụng của UWB bị giới hạn bởi khoảng cách truyền thông ngắn (cỡ 100-200 mét) do công suất truyền tải cho phép bởi FCC là rất thấp (cỡ - 41,3 dBm/MHz). Do vậy, việc sử dụng kết hợp MIMO cùng với UWB giúp mở rộng phạm vi truyền thông cũng như cung cấp độ tin cậy liên kết cao hơn. Những lợi ích của UWB- MIMO có thể được kể đến như [7] - [8]: Giảm thiểu nhiễu, tốc độ dữ liệu cao hơn, cải tiến chất lượng kênh truyền, tiết kiệm năng lượng và mở rộng phạm vi truyền dẫn, giảm yêu cầu về phần cứng truyền dẫn. Ngoài những lợi ích này, cũng có những thách thức cho việc kết hợp UWB và MIMO. Những thách thức này bao gồm: Sự cân bằng tín hiệu (Signaling trade-offs), mô hình kênh truyền cho hệ thống, thiết kế hệ thống đa anten nhỏ gọn và phù hợp, thiết kế mạch RF hiệu quả và tiết kiệm chi phí, … Trong số những thách thức này, việc thiết kế anten cho hệ thống UWB MIMO đã được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và phát triển. Anten là thành phần quan trọng trong hệ thống truyền tin không dây. Việc thiết kế Anten hiện tại đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức trong quá trình nghiên cứu thực hiện. Trong các hệ thống thu phát UWB, anten cần hoạt động trong dải tần rất rộng và có mức đáp ứng xung tốt. Bên cạnh đó, trong hệ anten MIMO, ngoài yêu cầu về tần số cộng 2
Mở đầu hưởng, dạng đồ thị bức xạ, … các phần tử anten được thiết kế phải đảm bảo tính tương hỗ giữa chúng nhỏ hơn −15 dB [9]. Thông thường, để đạt được yêu cầu này, các phần tử anten cần được đặt cách nhau nửa bước sóng của tần số hoạt động thấp nhất. Tuy nhiên, điều này khiến cho kích thước của anten MIMO tăng lên đáng kể dẫn đến làm tăng kích thước của các thiết bị đầu cuối. Bên cạnh đó, hiện nay người sử dụng luôn đòi hỏi phải có những thiết bị đầu cuối không dây có khả năng tích hợp đa dịch vụ, đa tiêu chuẩn kết nối (thoại, internet, định vị, kết nối bluetooth, …) yêu cầu các thiết bị thu phát vô tuyến phải có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc băng thông rộng để hỗ trợ đồng thời nhiều chuẩn truyền thông dẫn đến vấn đề kích thước anten cần phải đặc biệt lưu ý. Từ đó, nghiên cứu thiết kế các anten UWB MIMO cho các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới có kích thước nhỏ gọn, có độ lợi phù hợp, vừa có khả năng hoạt động ở đa băng tần hoặc ở băng thông rộng vừa đảm bảo hệ số cách ly giữa các phần tử anten mà không cần tăng kích thước hệ anten là vấn đề có nhu cầu cấp thiết. 1.2. IoT và xu hướng truyền tin không dây thế hệ mới Cách mạng công nghiệp lần thứ tư đã thúc đấy sự phát triển của công nghệ kỹ thuật số từ những thập kỷ gần đây lên một cấp độ hoàn toàn mới với sự trợ giúp của kết nối thông qua internet vạn vật (IoT), truy cập dữ liệu thời gian thực và giới thiệu các hệ thống vật lý không gian mạng. Điều này dẫn tới sự tăng trưởng về số lượng thiết bị di động trong tương lai đã đặt ra bài toán về việc tìm kiếm một nền tảng công nghệ di động mới có thể đáp ứng nhu cầu trên. Tính đến năm 2020, thế giới có khoảng 50 tỷ thiết bị có khả năng nối mạng, đây được coi là tiền đề cho việc phát triển mạng không dây thế hệ mới. Mạng 5G được mong đợi sẽ là một nền tảng không dây hoàn hảo để kết nối mọi nơi trên trái đất. Về bản chất, mạng 5G vẫn phát triển dựa trên nền tảng của 4G. Khác biệt cơ bản là 5G sử dụng tần số cao lên tới 60GHz, trong khi đó 4G là dưới 6 GHz. Tần số cao giúp dữ liệu truyền đi với dung lượng lớn hơn, hỗ trợ các thiết bị đòi hỏi băng thông rộng và có tính định hướng cao. Mạng 5G sẽ hỗ trợ LAS-CDMA (Large Area Synchronized Code Division Multiple Access), UWB (Ultra Wideband), Network-LMDS (Local Multipoint Distribution Service), Ipv6 và BDMA (Beam Division Multiple Access). Thời đại IoT (Internet of Things) đang dần ảnh hưởng đến cuộc sống của con người. Các thiết bị như điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, vòng đeo tay theo theo dõi sức khỏe hay các cảm biến trong các hệ thống truyền tin không dây đều là những thiết bị 3
Mở đầu đòi hỏi tính tương tác cao. Với những ưu điểm nổi trội, công nghệ băng thông siêu rộng thực sự lý tưởng để kết nối tất cả các thiết bị kỹ thuật số trong hệ sinh thái kết nối vạn vật. Apple đã gây chú ý trong thời gian gần đây với các sản phẩm và dịch vụ mới của mình. Công nghệ UWB là cải tiến mới nhất mà Apple có kế hoạch sử dụng trong các sản phẩm và dịch vụ trong tương lai của mình và họ đã sử dụng công nghệ này trong thẻ định danh AirTags [10]. Apple không phải là công ty duy nhất quan tâm đến công nghệ UWB. Nhiều công ty khác, bao gồm cả Samsung, đã và đang làm việc trên các sản phẩm và dịch vụ dựa trên UWB. Ví dụ, Samsung đã phát triển một chipset dựa trên UWB có thể được sử dụng trong điện thoại thông minh, máy tính bảng và các thiết bị di động khác [11]. 1.3. Sự hợp tác giữa VIELINA và SPbPU Năm 2014 Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa (VIELINA) và Trường Đại học Bách khoa Saint Peterburg (SPbPU) đã có hợp tác để thực hiện các đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ, trong đó có đề tài về nghiên cứu làm chủ công nghệ UWB ứng dụng thiết kế, chế tạo hệ thống chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ. Bên phía SPbPU đã có kinh nghiệm xây dựng hệ thống chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ máy bay ứng dụng công nghệ UWB và theo các tài liệu khoa học được SPbPU giới thiệu thì hệ thống có rất nhiều ưu điểm như đã phân tích ở trên. Nhận thấy công nghệ UWB có nhiều ưu điểm và tiềm năng ứng dụng lớn nên VIELINA muốn hợp tác với SPbPU để nhanh chóng tiếp cận, làm chủ và phát triển ứng dụng công nghệ UWB vào thực tiễn. Hai bên đã thống nhất chọn động cơ xe lửa là đối tượng để ứng dụng kiểm chứng cho đề tài này. Như vậy, khi triển khai thực tế thì hệ thống chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ sẽ phải làm việc trong môi trường có: nhiệt độ cao, không gian nhỏ hẹp, nhiều vật chắn kim loại, rung lắc mạnh, ảnh hưởng bởi nhiễu (nhiễu pha đinh và nhiễu từ các hệ thống khác) và không được gây can nhiễu tới hệ thống khác (sau đây gọi tắt là điều kiện đặc biệt). Nghiên cứu sinh là người được giao trực tiếp tham gia vào nhóm nghiên cứu của VIELINA để thực hiện đề tài này với nhiệm vụ cụ thể là tính toán, thiết kế anten dùng cho hệ thống. Chính vì vậy, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài: “Nghiên cứu phát triển hệ anten băng thông siêu rộng ứng dụng trong điều kiện làm việc đặc biệt” để làm luận án tiến sỹ. Mục tiêu chính của luận án là xây dựng được các luận cứ khoa học để phát triển được hệ anten UWB làm việc trong điều kiện đặc biệt có khả năng chống nhiễu (nhiễu pha đinh) tốt và không 4
Mở đầu gây can nhiễu và trước tiên là ứng dụng vào hệ thống chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ. 2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm: • Làm chủ về công nghệ UWB, anten trong hệ thống UWB, thiết kế chế tạo được các anten UWB hoạt động trong điều kiện đặc biệt. • Nghiên cứu, phát triển ứng dụng anten UWB trong hệ thống MIMO, đề xuất giải pháp để giảm tương hỗ và tăng cường cách ly cổng trong thiết kế các anten UWB MIMO. • Xây dựng mô hình thử nghiệm, đánh giá hoạt động của hệ anten UWB Đối tượng nghiên cứu trong luận án được xác định bao gồm: • Các anten thu phát UWB dựa trên công nghệ mới, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, giá thành rẻ. Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các vấn đề sau: • Nghiên cứu đặc tính của anten UWB trong các hệ thống truyền tin không dây thế hệ mới trong điều kiện đặc biệt thông qua việc đánh giá các thông số kỹ thuật của anten UWB. • Nghiên cứu đặc tính của anten UWB trong hệ thống MIMO thông qua hệ số tương quan tín hiệu kênh truyền (tương quan về đồ thị bức xạ), xác định bằng các tham số tán xạ. • Chỉ nghiên cứu đánh giá đặc tính anten UWB theo mục tiêu chống nhiễu của hệ thống truyền tin UWB cũng như khả năng không gây can nhiễu sang các hệ thống khác mà chưa quan tâm đánh giá các ưu điểm khác của hệ thống truyền tin UWB như: tốc độ truyền tin cao, khả năng đâm xuyên tín hiệu Phương pháp nghiên cứu: • Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết và kỹ thuật thiết kế anten UWB, anten UWB trong hệ thống MIMO. Sau đó tiến hành phân tích, tính toán để đề xuất ra mô hình và giải pháp tối ưu phù hợp với yêu cầu của luận án. 5
Mở đầu • Nghiên cứu mô phỏng: Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đó sử dụng phương pháp mô phỏng mô hình, tính toán và tối ưu các tham số ảnh hưởng đến chất lượng của anten thông qua các phần mềm mô phỏng như CST, ADS, Matlab. Sau khi mô phỏng để có được kết quả tốt nhất và phù hợp với yêu cầu của luận án, tiến hành chế tạo và đo kiểm anten. • Nghiên cứu thực nghiệm: Khi có mạch in anten, tiến hành đo kiểm thực nghiệm và đánh giá các tham số của anten. So sánh với kết quả mô phỏng và tìm hiểu nguyên nhân (nếu có). Sau đó đưa anten thử nghiệm trong điều kiện thực tế. 3. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án Ý nghĩa khoa học: • Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần phát triển các giải pháp thiết kế chế tạo hệ anten thu phát UWB, trong đó có tính đến các yếu tố và điều kiện hoạt động của anten trong điều kiện đặc biệt. • Các kết quả nghiên cứu của luận án này sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo trong phân tích và thiết kế chế tạo anten UWB dùng cho hệ thống MIMO nhỏ gọn có hệ số cách ly lớn. Ý nghĩa thực tiễn: • Các thiết kế và giải pháp trong luận án được áp dụng vào kết quả của đề tài nghiên cứu hợp tác giữa VIELINA và SPbPU. Kết quả của đề tài là hệ thống giám sát và hỗ trợ chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ đã được chế tạo và chạy thử nghiệm trong thực tế. Đóng góp của luận án 1. Tính toán, thiết kế, mô phỏng đánh giá các thông số và chế tạo hệ anten thu phát UWB làm việc trong điều kiện đặc biệt. Trong đó thiết kế anten thu là hoàn toàn mới. Hệ anten bước đầu đã được thử nghiệm hoạt động tốt trong hệ thống thực tế. 2. Đề xuất cấu trúc DGS mới, nhỏ gọn sử dụng kỹ thuật đối xứng ở cả hai mặt của chất nền nối với nhau bởi một via tạo ra các đường vi dải có độ dài thay đổi theo nguyên tắc gradient. Cấu trúc DGS đề xuất giúp cho anten UWB MIMO có hệ số cách ly lớn làm giảm tương hỗ giữa các phần tử anten và tăng hiệu năng hoạt 6
Mở đầu động của hệ, đồng thời tạo sự chắc chắn cho hệ anten để có thể làm việc trong điều kiện đặc biệt (rung sóc mạnh). 4. Cấu trúc nội dung của luận án Nội dung chính của luận án bao gồm ba chương. Chương 1 trình bày giới thiệu tổng quan về anten trong hệ thống UWB; bao gồm tổng quan về công nghệ UWB, các thông số kỹ thuật của anten UWB và các giải pháp, kĩ thuật thiết kế, cải thiện hiệu năng cho anten UWB và MIMO UWB thông qua khảo sát các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước. Chương 2 trình bày về phương pháp thiết kế chế tạo hệ anten thu phát UWB trong hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện làm việc đặc biệt, hệ anten thu phát này được ứng dụng vào hệ thống giám sát và hỗ trợ chẩn đoán kĩ thuật động cơ. Kết quả là mô hình anten thu và anten phát được thiết kế đã thỏa mãn các yêu cầu về bức xạ và băng thông hoạt động. Mô hình anten được chế tạo thành phẩm và được thử nghiệm hoạt động ổn định trong thực tế. Cuối cùng, chương 3 trình bày về nghiên cứu ứng dụng anten băng siêu rộng dùng cho hệ thống MIMO, đề xuất một giải pháp mới giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ và tăng cường cách ly trong thiết kế các anten MIMO sử dụng phương pháp mặt đế không hoàn hảo DGS. Cụ thể là đề xuất một thiết kế DGS mới ứng dụng trong việc giảm thiểu ảnh hưởng tương hỗ cho anten MIMO nói chung và anten UWB MIMO nói riêng. 7
Chương I CHƯƠNG 1. ANTEN TRONG HỆ THỐNG UWB Chương này trình bày tổng quan lý thuyết về công nghệ băng thông siêu rộng UWB cũng như các thông số kỹ thuật quan trọng của anten UWB. Đồng thời, nghiên cứu sinh cũng trình bày một số kỹ thuật thiết kế và cải thiện hiệu năng cho anten UWB thông qua tìm hiểu các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới. 1.1. Công nghệ UWB Khi ra đời, công nghệ UWB đã được áp dụng trong lĩnh vực radar, cảm biến và truyền thông quân sự. Tuy nhiên, khi FCC cấp phép cho công nghệ UWB có thể được sử dụng cho các ứng dụng truyền thông [1] thì công nghệ UWB đã nhanh chóng phát triển như một công nghệ truyền thông không dây tốc độ cao đầy tiềm năng cho các ứng dụng đa dạng. 1.1.1. Tổng quan công nghệ UWB Khái niệm về UWB được phát triển vào đầu những năm 1960 thông qua các nghiên cứu về miền thời gian của trường điện từ [12]. Vào cuối những năm 1960, các kỹ thuật đo lường xung được sử dụng để thiết kế Anten băng rộng, dẫn đến sự phát triển của radar xung ngắn và hệ thống thông tin liên lạc [13]. Năm 1973, bằng sáng chế truyền thông UWB đầu tiên được cấp cho một máy thu phát xung ngắn [14]. Cho tới cuối những năm 1980, UWB được gọi là công nghệ truyền dẫn không có sóng mang hoặc công nghệ xung. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ băng thông siêu rộng vào cuối những năm 1980. Đến năm 1989, lý thuyết UWB, kỹ thuật và nhiều phương pháp ứng dụng đã được phát triển cho một loạt các ứng dụng, bao gồm radar, truyền thông, hệ thống định vị,...Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng và phát triển của UWB đều được sử dụng trong khu vực quân sự hoặc được tài trợ bởi chính phủ Hoa Kỳ [15] [16]. Vào cuối những năm 1990, công nghệ UWB đã được thương mại hóa hơn và sự phát triển của nó đã tăng lên rất nhiều. Các công ty như Time Domain [17] và XtremeSpectrum [18] được thành lập để phát triển các ứng dụng thương mại về UWB. Một sự thay đổi đáng kể trong lịch sử UWB diễn ra vào tháng 2 năm 2002, khi FCC ban hành các quy định UWB cung cấp các giới hạn bức xạ đầu tiên cho truyền UWB và cho phép hoạt động của các thiết bị UWB trên cơ sở không cần cấp phép. Theo các quy định của FCC, UWB được định nghĩa rằng bất kỳ sơ đồ không dây nào chiếm băng thông 8