Tóm tắt 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:29

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt 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" được nghiên cứu với mục tiêu: 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 TÓM LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 952 02 03 HÀ NỘI, NĂM 2023
Công trình được hoàn thành tại Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Người hướng dẫn 1. PGS.TSKH. Nguyễn Hồng Vũ Người hướng dẫn 2: TS. Lâm Hồng Thạch Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quốc Định Phản biện 2: PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Phản biện 3: PGS.TS Lê Nhật Thăng Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa - Thư viện của Bộ Giáo dục và Đào tạo
Mở đầu MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 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 3,1–10,6 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. UWB có ưu điểm là truyền dữ liệu tốc độ cao, giao tiếp với độ trễ thấp và có khả năng định vị chính xác nên có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực truyền tin không dây như: WBAN, WPAN, RFID, mạng cảm biến không dây, radar, vv. 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 thử thách trong quá trình nghiên cứu thực hiện. Trong các anten UWB, ngoài các yêu cầu về các thông số cơ bản của thì anten cần phải hoạt động trong một dải tần rất rộng và có mức đáp ứng xung tốt. Mặt khác trong các anten MIMO, ngoài yêu cầu về tần số cộng 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 [2]. 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 họ đã nói rằng hệ thống của họ có rất nhiều ưu điểm như đã phân tích ở trên. Hai bên đã thống nhất chọn động cơ tàu hỏa 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 phading 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 thống 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 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. 1
Mở đầu  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.  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 tốt, 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 2
Mở đầu 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 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 thế hệ mới, 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. 3
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 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 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 phân đoạn lớn hơn 20% hoặc lớn hơn 500 MHz băng thông tuyệt đối. Băng thông phân đoạn được định nghĩa là BW / fc, trong đó BW = fH – fL thể hiện băng thông -10 dB và biểu thị tần số trung tâm. Ở đây fH và fL cho biết tần số cao và tần số thấp, tương ứng, được đo tại -10 dB dưới điểm phát xạ đỉnh. FCC cũng cho phép truyền sóng vô tuyến UWB trong băng tần không được cấp phép từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz với công suất phát hạn chế là -41,3 dBm / MHz [1]. 1.1.2. Mô hình truyền dẫn UWB Mô hình truyền dẫn UWB có thể được phân loại thành hai loại chính: một băng tần và nhiều băng tần. Công nghệ UWB truyền thống dựa trên các mô hình một băng tần còn được gọi là truyền thông không sóng mang hoặc truyền thông xung I-UWB [3]. Công nghệ truyền thông UWB đa băng đã được đề xuất tại [4] [5]. Thay vì sử dụng toàn bộ băng tần UWB để truyền tải thông tin, kỹ thuật đa băng tần chia dải tần UWB từ 3,1 đến 10,6 GHz thành nhiều băng nhỏ hơn, được gọi là băng con. Mỗi băng con có băng thông tối thiểu 500 MHz để tuân thủ định nghĩa của FCC về tín hiệu UWB. Có thể nhận thấy rằng giữa kỹ thuật I-UWB và kỹ thuật đa băng tần ta có những nhận xét như sau:  Thứ nhất về mặt năng lượng thì I-UWB có ưu thế hơn vì kỹ thuật này chỉ sử dụng các xung cực ngắn để truyền thông tin.  Thứ hai về mặt công nghệ thì I-UWB đơn giản hơn trong việc thiết kế phần cứng và xây dựng phần mềm.  Thứ ba, kỹ thuật đa băng tần được ứng dụng trong những truyền thông tốc độ thấp (từ 53Mbps đến 480Mbps) hơn so với kỹ thuật I-UWB (lên tới hàng Gbps). 1.1.3. Ưu điểm của công nghệ UWB Do tính chất băng thông siêu rộng, các hệ thống truyền thông UWB mang đến những lợi ích rất lớn cho các ứng dụng truyền thông không dây và radar. Những lợi thế chính của UWB có thể được tóm tắt như sau [6]: 4
Chương I (1) Truyền thông dữ liệu tốc độ cao (2) Khả năng chống nhiễu đa đường (3) Có khả năng ứng dụng vào thiết bị kích thước nhỏ và chi phí thấp (4) Độ chính xác định vị cao ở cấp độ cm 1.1.4. Ứng dụng của công nghệ UWB Như đã được nêu trong các phần trước của luận án, UWB cho thấy một số tính năng đặc biệt có thể áp dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau.  Truyền thông đa phương tiện  Hệ thống radar UWB  Mạng cảm biến không dây  Wireless Body Area Networks (WBAN 1.2 Các thông số kỹ thuật của Anten UWB Trong các hệ thống UWB, các tham số cơ bản và cổ điển của các Anten truyền thống đều được xem xét nghiên cứu. Bên cạnh đó các Anten UWB còn có một số thông số bổ sung.  Băng thông  Đồ thị bức xạ  Kích thước và giá thành  Tuân thủ các giới hạn phát xạ  Đáp ứng xung  Độ trễ nhóm. 1.3 Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO và hệ thống đa anten (MAS) được xem là giải pháp hữu hiệu để chống lại tác động của truyền tín hiệu đa đường nhằm tăng độ tin cậy của thông tin liên lạc không dây. Quan trọng hơn, hệ thống đa anten có thể tận dụng lợi thế của truyền đa đường giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu trong khi vẫn duy trì công suất phát. 1.4 Các thông số kỹ thuật của Anten MIMO Để thiết kế chế tạo anten UWB MIMO ngoài các tham số cơ bản của anten UWB như đã trình bày ở mục 1.2, ta cần chú ý tới một số các tham số đặc biệt của Anten MIMO như sau:  Ảnh hưởng tương hỗ và độ cách ly giữa các phần tử anten  Độ tăng ích hiệu quả trung bình (MEG - Mean Effective Gain)  Độ tăng ích phân tập (Diversity Gain – DG)  Hệ số tương quan tín hiệu 1.5 Các nghiên cứu khoa học liên quan 1.5.1 Các kết quả nghiên cứu trên thế giới Thời kì trước những năm 90 của thế kỉ 20, các thiết kế anten UWB đề xuất hầu hết dựa trên cấu trúc hình khối như khối cầu, loa chóp hay chấn tử lưỡng cực dạng biconical [7]. Hiện nay, các nghiên cứu về anten 5
Chương I UWB hầu hết tập trung vào giải pháp sử dụng thiết kế vi dải, anten khe hay anten chấn tử đơn vi dải với các kĩ thuật phối hợp trở kháng khác nhau để cải thiện băng thông mà không làm giảm hiệu năng của các thông số bức xạ [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]. Bên cạnh việc nghiên cứu các cấu trúc anten UWB, các kĩ thuật bổ sung nhằm cải thiện hiệu năng của các thiết kế anten UWB cũng được nghiên cứu. Trong đó các tham số được ưu tiên cải thiện là độ rộng của băng thông và độ lợi khuếch đại [19] [20] [21] [22]. Anten đa hướng không thích hợp trong các ứng dụng truyền thông không dây điểm – điểm yêu cầu anten có độ lợi cao. Đặc biệt các hệ thống phân tập không gian nhằm giảm hiệu ứng phading đa đường hoặc ứng dụng radar UWB phân giải cao để phát hiện định vị đối tượng đòi hỏi các anten UWB có tính hướng cao. Gần đây, môt số thiết kế tăng tính hướng cho anten UWB sử dụng các cấu trúc phản xạ tích hợp đã được đề xuất [23] [24] [25] [26]. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã kết hợp các tính năng của công nghệ UWB và MIMO để chế tao anten UWB-MIMO để cải thiện hiệu suất của hệ thống thông tin không dây. Do hạn chế về kích thước, anten MIMO được thiết kế trong một diện tích nhỏ, điều này dẫn đến vấn đề tương hỗ và cần cải thiện sự cách ly để khắc phục hiện tượng pha đinh đa đường [27] [28] [29] [30]. Các cấu trúc siêu vật liệu cũng là một cách tiếp cận đáng chú ý trong việc cải thiện hiệu năng của các hệ thống UWB/MIMO [31] [32]. 1.5.2 Các kết quả nghiên cứu trong nước Hiện nay trong nước, các giải pháp thiết kế anten UWB và các kỹ thuật giảm nhỏ kích thước anten cho các đầu cuối di động để sử dụng các thiết kế anten nhỏ gọn này thành cấu trúc anten MIMO với độ cách ly cao giữa các phần tử bức xạ cũng đã được một số nhóm nghiên cứu của các đơn vị quan tâm nghiên cứu. Viện Điện tử Viễn thông của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng có một số nghiên cứu về anten băng thông siêu rộng và anten MIMO sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt như:  Đề tài “Phân tích, thiết kế và chế tạo anten kích thước nhỏ sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt cho hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng” chủ trì bởi GS. Vũ Văn Yêm [81].  Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm anten MIMO băng thông siêu rộng tránh giao thoa” chủ trì bởi PGS. TS Đào Ngọc Chiến [82] và các thành viên nhóm nghiên cứu.  Luận án tiến sĩ “Anten kích thước nhỏ sử dụng vật liệu có cấu trúc đặc biệt DGS kép, DS-EBG và CRLH-CPW ứng dụng trong các thiết bị đầu cuối di động” của nghiên cứu sinh Dương Thị Thanh Tú [84]. Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Huỳnh Nguyễn Bảo Phương [85]. Ngoài ra còn có thể kể đến công trình của nghiên cứu sinh Nguyễn Ngọc Lan [86], nghiên cứu sinh Đặng Như Định [88]. Các kết quả nghiên cứu của các công trình nêu trên đều thực hiện trên băng hẹp, chưa có kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong băng siêu rộng. Tại học viện Kỹ thuật Quân sự, nhóm nghiên cứu về anten đã có một số công trình nghiên cứu về anten băng thông siêu rộng và anten MIMO [89] [42] [91] [92] [93] [94], cụ thể:  Đề tài Nafosted “Nghiên cứu phương pháp thiết kế anten MIMO dải siêu rộng cho truyền thông không dây” của PGS.TS. Nguyễn Quốc Định [89]. 6
Chương I Bên cạnh đó, còn có một nhóm nghiên cứu khác, liên quan gần đến chủ đề nghiên cứu như: Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội [95] [96]; Viện nghiên cứu quốc tế MICA, Viện Điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội [97] [98] và các công trình của nhóm nghiên cứu thuộc học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông [99] [100] [101]. Có thể nhận thấy hầu hết các công trình nêu trên đều tập trung nghiên cứu các giải pháp thiết kế anten UWB và anten MIMO tách rời, mặc dù có ý nghĩa về mặt khoa học và có thể làm tài liệu để tham chiếu nhưng hầu như chưa gắn liền với một ứng dụng trong một hệ thống truyền tin không dây đầy đủ, hoàn chỉnh cụ thể. 1.6 Hướng nghiên cứu của luận án Trên cơ sở khảo sát các công trình trong và ngoài nước, có thể thấy các nghiên cứu cho thiết kế anten UWB mang tính đặc thù cho một hệ thu phát mạng cảm biến không dây trong điều kiện đặc biệt vẫn còn chưa được chú ý. Do đó, ngoài hiệu suất cao thì hệ thống UWB cũng yêu cầu các anten thu phải có tính hướng hay độ lợi tốt để thu được tín hiệu gửi về từ các cảm biến. Trên cơ sở tổng hợp các giải pháp cải thiện hiệu năng của thiết kế anten UWB và mục tiêu nghiên cứu hướng đến giải pháp thiết kế các mô hình anten có thể ứng dụng thực tế trong các hệ thống truyền tin không dây thế hệ mới, hướng nghiên cứu đề xuất trong luận án là:  Đề xuất thiết kế anten thu và phát UWB ứng dụng cho hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt. Chế tạo và chạy thử nghiệm với hệ thống thực tế, đảm bảo đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.  Nghiên cứu thiết kế hệ thống anten UWB MIMO để ứng dụng giảm pha đinh, tăng chất lượng tín hiệu của hệ thống.  Đề xuất được một thiết kế tích hợp cấu trúc DGS trong thiết kế anten UWB MIMO để cải thiện hiệu năng của thiết kế. 1.7 Kết luận chương Trong chương này, nghiên cứu sinh đã trình bày tổng quan và các ứng dụng của công nghệ UWB. Với công suất phát thấp và khả năng chống nhiễu tốt đồng thời bộ thu phát có kích thước nhỏ gọn, công nghệ UWB phù hợp với các hệ thống thông tin không dây trong điều kiện đặc biệt. Nghiên cứu sinh cũng trình bày về các thông số kỹ thuật của anten UWB, 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. Trong điều kiện đặc biệt, anten UWB ngoài việc phải áp dụng các kỹ thuật tăng cường băng thông và độ lợi thì các nhà nghiên cứu cần phải đảm bảo đặc tính phát xạ, khả năng đáp ứng xung cũng như kích thước nhỏ gọn. Các phân tích trong chương này đã chỉ rõ những giải pháp thiết kế anten UWB để làm việc trong điều kiện đặc biệt như sử dụng cấu trúc siêu vật liệu, dải chắn điện từ EBG hay mặt đế không hoàn hảo DGS. Với việc phân tích yêu cầu của hệ thống và mục tiêu thiết kế đối với các phần tử anten, việc đề xuất hợp lý các giải pháp thiết kế sẽ quyết định đến thành công của các mô hình anten UWB được thiết kế trong chương 2 và chương 3 của luận án này. 7
Chương II CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ ANTEN UWB ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TIN KHÔNG DÂY THẾ HỆ MỚI Chương này đề xuất thiết kế, chế tạo một hệ anten thu phát UWB phục vụ hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt. Nghiên cứu sinh sẽ trình bày tóm tắt các yêu cầu của hệ thống từ đó đưa ra các yêu cầu kỹ thuật cho việc thiết kế chế tạo anten thu phát phù hợp. Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực tế cũng được trình bày tại chương này. 2.1. Cơ sở thiết kế Anten cho hệ thống 2.1.1. Giới thiệu hệ thống Mô hình hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt được thiết kế gồm có ba cấp:  Cấp giám sát, gồm các thiết bị màn hình hiển thị.  Trạm thiết bị thu dữ liệu băng thông siêu rộng.  Các thiết bị cấp trường và thiết bị phát dữ liệu băng thông siêu rộng. 2.1.2. Yêu cầu kỹ thuật của Anten thu và Anten phát 2.1.2.1. Yêu cầu kỹ thuật chung  Hệ thống bao gồm nhiều bộ phát (mỗi bộ có 01 anten phát) và 01 bộ thu (01 anten thu);  Bộ phát được đặt trực tiếp lên các đối tượng cần kiểm soát ở các khu vực khác nhau trên vỏ động cơ. Kích thước tối đa cho các bộ cảm biến (cũng như kích thước anten phát) theo mỗi chiều khoảng 3,5 cm (được hiểu là đường kính tối đa)  Bộ thu được đặt cách xa động cơ xe lửa (đối tượng gắn các bộ phát) ở khoảng cách từ 1 mét trở lên. Vị trí gắn bộ thu hay anten thu được gắn cố định trên 1 tường. Kích thước tối đa của anten thu theo mỗi chiều khoảng 10 đến 15cm  Bộ phát sử dụng công nghệ phát xung rất nhỏ (I-UWB) với độ rộng xung cỡ 10ns  Anten phát được kết nối trực tiếp với bộ phát (không có cáp kết nối)  Bộ phát sử dụng nguồn năng lượng pin nên công suất phát được thiết kế thấp để tối ưu năng lượng sử dụng. Mặt khác do hệ thống hoạt động trong một dải tần rất rộng nên ta cần lưu ý đặc tính tần số của anten trong quá trình thiết kế. Theo [68] [69], tổn hao năng lượng trong hệ thống truyền tin không dây chủ yếu do hai hiện tượng là sự suy giảm năng lượng do hiện tượng pha đinh và tổn thất đường truyền trong không gian tự do (Free Space Path Loss – FSPL). Trong đó FSPL được tính bởi công thức: 4𝜋 𝐹𝑆𝑃𝐿 = 20𝑙𝑜𝑔10 (𝑑) + 20𝑙𝑜𝑔10 (𝑓) + 20𝑙𝑜𝑔10 ( ) − 𝐺 𝑇𝑥 − 𝐺 𝑅𝑥 (2.1) 𝑐 Với d là khoảng cách giữa anten phát và anten thu, f là tần số hệ thống, 𝐺 𝑅𝑥 và 𝐺 𝑇𝑥 lần lượt là tăng ích của anten thu và anten phát. Có thể nhận thấy tổn hao đường truyền tỷ lệ thuận với khoảng cách truyền và tần số thu phát của hệ thống, đồng thời tỷ lệ nghịch với tăng ích của anten thu phát. Do vậy trong hệ thống truyền thông băng siêu 8
Chương II rộng nếu ta chế tạo được anten thu phát có đường đặc tính theo tần số tỷ lệ thuận với tăng ích anten thì sẽ góp phần giảm tổn hao năng lượng cho hệ thống. 2.1.2.2. Yêu cầu kỹ thuật với Anten phát Như ta biết, hệ thống mạng cảm biến không dây yêu cầu các nút mạng cần nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, và có tính mềm dẻo cao trong khâu lắp đặt, theo đó khi thiết kế anten phát ta cũng cần xem xét đến yếu tố về kích thước, hình dạng của anten. Xét với đối tượng hoạt động trong điều kiện đặc biệt như nhiệt độ cao và rung động lớn đồng thời có rất nhiều nhiễu công nghiệp cũng như nhiều hệ thống truyền tin khác nhau. Đây là một thách thức đối với việc chế tạo hệ thống nói chung và anten phát cho hệ thống nói riêng.  Anten gắn trên đối tượng giám sát phải nhỏ gọn để thuận lợi lắp đặt và tránh rung động khi động cơ hoạt động.  Anten hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao, vật liệu chế tạo mạch in cho hệ thống nói chung và anten nói riêng cần phải lựa chọn loại riêng biệt.  Anten UWB phải đạt được một băng thông siêu rộng, trong khi đó vẫn phải duy trì được hiệu suất bức xạ cao trên toàn băng. 2.1.2.3. Yêu cầu kỹ thuật của Anten thu Hệ thống sử dụng kỹ thuật I-UWB tức là sử dụng dạng xung rất nhỏ (cỡ ns) để truyền tin, do đó khi thiết kế anten thu ta cần lưu ý đến sự ảnh hưởng tới dạng xung. Anten dạng loa cùng với các loại anten biến thể của nó ít gây biến dạng xung nhất. Từ những phân tích đó, lựa chọn loại Anten thu phù hợp cũng là một yêu cầu kỹ thuật bắt buộc. Theo các yêu cầu phân tích của hệ thống, anten thu cần đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật như sau:  Băng tần hoạt động từ 3 GHz đến 8GHz.  Kích thước tổng thể (đường kính của đường cầu ngoại tiếp anten) không quá 10-15 cm.  Định hướng với độ lợi cao.  Không bị phân tán pha.  Phối hợp trở kháng tốt trên toàn bộ dải tần hoạt động.  Không yêu cầu sử dụng thiết bị cân bằng và phối hợp riêng biệt. 2.2. Thiết kế, mô phỏng và chế tạo anten phát 2.2.1. Thiết kế anten Quá trình thiết kế và phân tích được thực hiện theo những bước sau đây: a) Xem xét các yêu cầu kỹ thuật của anten để lựa chọn anten thích hợp Như đã phân tích ở trên về các yêu cầu kỹ thuật của anten UWB cho hệ thống chẩn đoán kỹ thuật động cơ, mô hình thiết kế sử dụng anten vi dải thực tại lẫn vấn đề được lựa chọn. b) Chọn vật liệu chế tạo anten Để anten hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao, vật liệu chế tạo mạch in cho hệ thống nói chung và anten nói riêng cần phải lựa chọn loại riêng biệt. Tiêu biểu có thể kể đến vật liệu TMM4 do Rogers 9
Chương II sản xuất, đây là vật liệu chuyên dụng cho các ứng dụng sóng điện từ hoạt động trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt (Thermoset Microwave Materials – TMM) [41]. c) Chọn nguyên lý tạo anten băng rộng thích hợp để thiết kế. Về lý thuyết, có 3 nguyên lý cơ bản để tạo băng rộng cho anten: nguyên lý biến đổi từ từ, nguyên lý tương tự, nguyên lý tự bù [42]. Trên thực tế, các nhà thiết kế có thể sử dụng rất nhiều kỹ thuật khác nhau để tạo băng rộng cho anten. Trong mô hình thiết kế anten vi dải băng thông siêu rộng ở chương này, nguyên lý biến đổi từ từ được Nghiên cứu sinh sử dụng để tạo băng thông rộng. d) Chọn phương pháp tiếp điện thích hợp Trong quá trình thiết kế anten, lựa chọn phương pháp tiếp điện cho anten là một bước quan trọng. Đối với anten vi dải, có 3 cách tiếp điện thông dụng là: tiếp điện bằng cáp đồng trục, tiếp điện bằng đường truyền vi dải, tiếp điện bằng ống dẫn sóng đồng phẳng. Trong các mô hình anten được thiết kế, cấu trúc tiếp điện bằng cáp đồng trục được Nghiên cứu sinh sử dụng [43]. 2.2.2. Kết quả Anten vi dải thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin UWB vì nhỏ gọn và có khả năng tích hợp cao. Trong đó phổ biến nhất là các anten đơn cực. Thiết kế được sử dụng trong phần này là một anten đơn cực dạng hình chữ nhật được sửa đổi được in trên một đế điện môi. Phần tử bức xạ của anten được in trên một mặt của đế điện môi và được tiếp điện bằng đầu SMA vuông góc nối với cáp đồng trục. Không giống như anten vi dải thông thường, phần mặt đế không được che phủ hoàn toàn bởi lớp kím loại mà được sửa đổi để mở rộng băng thông theo phương áp được công bố tại các công trình [44] [45]. Hình 2.1. Kích thước anten phát được thiết kế a) Mặt trên b) Mặt dưới Hình 2.2. Mẫu chế tạo của anten phát UWB Kết quả mô phỏng và mẫu đo thực tế băng tần làm việc của anten được thể hiện trong Hình 2.3. 10
Chương II Hình 2.3. Kết quả đo băng thông của anten UWB Kết quả mô phỏng và mẫu thử nghiệm có kết quả tần số cộng hưởng đầu tiên là trùng nhau, ở khoảng 1 GHz. Ở các tần số cao hơn, có sự sai khác về giá trị của hệ số S11. Điều này có thể lý giải bởi công nghệ chế tạo còn gặp nhiều sai số. Ngoài ra do kích thước của anten là tương đối nhỏ nên cáp đo cũng làm ảnh hưởng đến bức xạ của anten. Tuy nhiên, nhìn chung, băng tần hoạt động của anten trong mô phỏng và mẫu đo thực tế đều cho thấy anten có dải tần hoạt động rất rộng (Từ 1GHz đến trên 10 GHz), do đó đáp ứng được yêu cầu làm anten phát cho hệ thống. Hệ số tăng ích của anten xác định trong mô phỏng tại tần số điển hình 3,5GHz là tương đối tốt với giá trị đạt 3,6 dBi với hiệu xuất bức xạ đạt 82%. Thông thường với ăngten monopole, hệ số khuếch đại có thể đạt đến khoảng 4 dBi. Mẫu anten thiết kế với kích thước nhỏ gọn và băng thông siêu rộng, nên giá trị hệ số khuếch đại đạt được 3,6 dBi là hoàn toàn chấp nhận được và đáp ứng được yêu cầu để sử dụng làm anten phát cho hệ thống giám sát kỹ thuật động cơ. 2.3. Thiết kế, chế tạo, đo kiểm anten thu 2.3.1. Thiết kế anten Mục tiêu đặt ra là thiết kế một anten thu nhận tín hiệu băng siêu rộng trong hệ thống truyền tin không dây trong điều kiện đặc biệt. Như đã phân tích tại chương I, anten loa TEM (Transverse Electromagnetic) đã được sử dụng làm anten thu phát băng rộng cho các ứng dụng khác nhau. Loại anten này có ưu điểm là băng rộng, không phân tán, độ định hướng cao và dễ dàng chế tạo. 2.3.1.1. Cơ sở khoa học Một anten loa thông thường có cấu trúc như Hình 2.8 a) b) Hình 2.4. Cấu trúc anten loa 11
Chương II Đối với anten loa E, điều kiện tối ưu ứng với 𝜃 = 𝜋⁄2. Khi đó kích thước tối ưu là 𝑅 = 𝐵2 ⁄2, hiệu suất bức xạ đạt 0,64 và độ rộng của đồ thì phương hướng bức xạ trong mặt phẳng E bằng 2𝜃1⁄2 ≈ 56 𝑜 𝜆⁄ 𝐵 [113] (Trang 478). Như vậy, với anten loa thông thường, mỗi góc mở tối ưu ta có một kích thước ứng một tần số làm việc với hiệu suất bức xạ tốt nhất. Đây là anten làm việc với dải tần không rộng. Với anten TEM băng rộng, chúng thường có hình dạng tam giác để có cấu trúc tuyến tính để mở rộng băng thông [114] [115] [116]. Ngoài ra, các công thức phân tích và thiết kế cũng như phương pháp tính toán trở kháng đặc trưng của anten loa TEM được trình bày tại công trình [65]. Đặc biệt, trong [118], Boryssenko và các cộng sự đã đề xuất một thiết kế dựa trên một anten có độ phân tán thấp có mặt phát xạ xung băng rộng đặc biệt. Anten này được hình thành bởi hai tấm kim loại song song dần dần tách ra theo hai hướng ngược nhau đóng vai trò là mặt phản xạ (Reflector), mặt phát xung nằm ở giữa được gọi là “Tongue” đóng vai trò là mặt phát xạ, (Hình 2.9b). a) b) Hình 2.5. Anten loa TEM cổ điển (a) và Anten loa “Tongue” TEM (b). Thiết kế anten này sử dụng nguyên lý của một mặt bức xạ băng rộng và hoạt động như một bộ chuyển đổi được phối hợp trở kháng tốt trên băng rộng, để dòng kích thích tại cổng chuyển thành trường bức xạ tại mặt mở của anten và tạo ra năng lượng bức xạ trong không gian theo một mật độ mong muốn. Bộ chuyển đổi này được tạo ra bởi hai tấm phẳng dạng tam giác có đáy mở rộng dần, có cấu trúc hình học thích hợp theo nguyên lý anten TEM. Cụ thể, tấm thứ nhất, kích thước lớn hơn, được gọi là "tấm phản xạ". Tấm thứ hai, kích thước nhỏ hơn, được gọi là "lưỡi", và là bộ phận bức xạ sóng điện từ. 2.3.1.2. Cấu trúc anten thu đã cải tiến Để anten bức xạ băng rộng (UWB) nghiên cứu sinh đề xuất sử dụng 2 mặt loa E dạng cong. Với mặt loa cong, ta sẽ nhận được vô số đường tiếp tuyến với bề mặt, có được nhiều góc θ tối ưu, phù hợp với nhiều bước sóng khác nhau, nếu đồng thời thay đổi kích thước B tối ưu, anten có thể làm việc được với dải tần rất rộng. Tuy nhiên, điểm khác của nhóm nghiên cứu sinh thực hiện so với các công bố trước là hai mặt cong được tính toán theo hàm e mũ và anten được phối hợp trở kháng tốt trong dải tần rộng nhờ một mặt bức xạ được thiết kế đặc biệt dạng lưỡi tam giác, đáy có độ rộng B tối ưu tương ứng với bước sóng 10cm (tần số 3GHz), được tính toán theo công thức 2.2 và được nghiên cứu sinh đo đạc thực nghiệm và công bố trong luận án và bài báo khoa học. 𝑑(𝑥) = 2 {𝑎. 𝑒 𝑏𝑥 } 0≤ 𝑥 ≤ 𝐿 (2.2) 12
Chương II Với L là chiều cao của anten loa và a, b là các hằng số cần xác định (Mặt bức xạ được thiết kế dạng lưỡi tam giác, kích thước đáy giảm dần khi lên đỉnh để phù hợp với các tần số cao hơn, lên tới 8 GHz). Dải tần (3 – 8) GHz là dải tần được lựa chọn cho sản phẩm hợp tác giữa VIELINA và SPbPU (cơ sở để hình thành Luận án). Đặc biệt, giải pháp mới được nghiên cứu sinh sử dụng là nối đất tấm phát xạ, như vậy toàn bộ mặt phẳng phía dưới (mặt phẳng đất) vẫn xem là anten loa, dẫn tới nối dài được kích thước phần bức xạ anten (anten được gắn trên tấm giá đỡ kích thước rộng). Do đó anten được tính toán giảm nhỏ kích thước mà vẫn đảm bảo băng thông rộng. Ngoài ra, thiết kế này cũng giúp kết cấu anten vững chắc hơn do tấm lưỡi được giữ cố định, mặt đáy của anten được bắt trực tiếp vào giá đỡ. Đảm bảo anten hoạt động tốt trong điều kiện đặc biệt, có rung xóc. (a) (b) (c) (d) Hình 2.6. Thông số kỹ thuật của anten thu (a) Bảng kích thước tối ưu của các tham số đường cong. (b) Tấm phản xạ của anten thu thiết kế (c) Mặt đế anten thu thiết kế (d) Tấm bức xạ của anten thu thiết kế 2.3.2. Kết quả Các thiết kế ở phần trên được lần lượt kiểm tra thông qua phần mềm mô phỏng (phần mềm CST Studio được sử dụng để mô phỏng tất cả các mô hình anten được thiết kế trong luận án này) và đo thực nghiệm bằng máy phân tích mạng. 13
Chương II Hình 2.7. Mô hình mô phỏng a) và hình ảnh chế tạo thực tế b) Kết quả mô phỏng và đo lường được trình bày trong Hình 2.8 (a) và Hình 2.8 (b) cho thấy sự tương ứng tốt giữa mô phỏng và chế tạo thực thế. Anten có băng tần hoạt động lớn từ 1GHz đến 7.5 GHz. (a) (b) Hình 2.8. (a) Kết quả mô phỏng và đo lường thực tế tham số S11 (b) Độ lợi của anten thu thiết kế. Như kết quả mô phỏng, trong mặt phẳng đứng, hướng của cực đại của búp song chính thay đổi theo tần số. Tuy nhiên, trong khoảng 3-6 GHz những thay đổi này là không đáng kể và tối đa không vượt quá giới hạn của khu vực từ 10 đến 15 độ trong góc φ trong dải âm (sơ đồ là hơi nghiêng xuống dưới). Mô phỏng bức xạ của Anten cũng cho thấy hiệu suất rất tốt là 97% và đạt được độ lợi cao (từ 7-12 dBi ở tần số 3GHz và các tần số cao hơn). Như đã phân tích tại mục 2.1.4, anten thu có giá trị tăng ích tăng tỉ lệ thuận với tần số hoạt động điều này góp phần giảm tổn hao và tăng độ tin cậy cho hệ thống. Các giá trị thực tế đo kiểm thấp hơn một chút so với kết quả mô phỏng như trong Hình 2.9. Tuy nhiên, vẫn đạt được yêu cầu thiết kế trong thực tế. 14
Chương II Tần số 3GHz Tần số 4GHz Tần số 5GHz Tần số 6GHz Tần số 7GHz Tần số 8GHz Hình 2.9 Mô phỏng đồ thị bức xạ của anten thu theo tần số trong mặt phẳng E. Các đặc điểm chính của anten:  Kích thước (Rộng x Sâu x Cao): 140х80х100 (mm)  Hệ số sóng đứng VSWR: trong phạm vi từ 1,5 GHz - 10 GHz, không lớn hơn 2  Phân cực: tuyến tính, dọc.  Hiệu suất anten: 97%  Tăng ích: khoảng 3-6 GHz, dBi: 7-10; khoảng 1,5-10 GHz, dBi: 2-12. Kết quả đo kiểm của ăng ten thu được so sánh với các kết quả công bố trong Bảng 2-1 Bảng 2-1. So sánh kết quả với các nghiên cứu tương đương Tham số [118] [119] [64] [120] Đề xuất Kích thước (mm) 30x80x70 74x74x60 240x360x460 120x66x38 80x100x140 (Rộng x Cao x Dài) Băng thông 2 – 8GHz 2 - 14 GHz 0,28 - 1,75GHz 3,1– 13GHz 1 – 8GHz Độ lợi tại tần số trung 0 8 10 8 9 tâm (dBi) 15
Chương II Độ lợi toàn băng (dBi) -2 - 0 4 - 12 3 - 12 4-12 1 - 13 Kết quả thể hiện trong bảng 2-1 cho thấy, mẫu anten thu đề xuất có kích thước nhỏ gọn và thu được băng thông tương đối và độ lợi tốt, tương đương với các nghiên cứu liên quan. Với băng thông tương đối ~ 200% và độ lợi xung quanh tần số trung tâm ~ 9dBi. So sánh với mẫu anten trong [48], thiết kế gốc mà thiết kế bài báo này đề xuất dựa vào để phát triển. Kích thước của anten đề xuất nhỏ hơn (0.46𝜆 so với 0.53𝜆 tại tần số thấp nhất). Bên cạnh đó, độ lợi của anten đề xuất trong bài báo tăng đáng kể so với thiết kế gốc (9 dBi so với 0 dBi). Hơn nữa, các kết quả này hoàn toàn có thể có thể được cải thiện thông qua việc thực hiện tối ưu các kích thước của anten cũng như áp dụng các kỹ thuật cải thiện hiệu suất. 2.4. Kết quả thử nghiệm hệ thống Mục tiêu của thử nghiệm là nhằm đánh giá khả năng truyền tin của hệ thống UWB trong môi trường đặc biệt sử dụng anten thu và anten phát đã thiết kế chế tạo. Cụ thể là đánh giá tính năng, độ tin cậy, ổn định, khả năng chống nhiễu của toàn bộ hệ thống trong phòng thí nghiệm tại VIELINA. Hình 2.10. Mô hình thử nghiệm hệ thống UWB. Nghiên cứu sinh thực hiện một số thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để kiểm tra các vấn đề về truyền thông UWB của bộ thu/phát UWB. Có 03 trường hợp thử nghiệm được đưa ra để kiểm tra độ tin cậy của hệ thống: - Trường hợp 1 - Đánh giá sai số truyền tin: Truyền thông có dây trực tiếp giữa bộ thu và phát không sử dụng anten thiết kế - Trường hợp 2 – Chưa có nhiễu: Truyền thông không dây sử dụng anten thiết kế trên tầm nhìn thẳng không vật cản - Trường hợp 3 – Có nhiễu: Truyền thông không dây sử dụng anten thiết kế có vật chắn kim loại, nguồn nhiệt điện và bộ phát WIFI băng tần kép (2.4GHz và 5Ghz) tạo nhiễu. Bên cạnh đó, hệ thống giám sát được triển khai trên đầu máy D19E- 921 trong buồng máy diesel Caterpillar 3512B tại nhà máy xe lửa Gia Lâm. Tỷ lệ truyền thành công được thể hiện trong Bảng 2-8. Từ đó ta có thể thấy việc thu phát tín hiệu từ DAPU-1 và DAPU-2 (đặt gần bộ thu hơn) là rất tốt. Tuy nhiên tỷ lệ thu chính xác từ Sensor-1và Sensor-2 chưa cao do ngưỡng của bộ so sánh tại mạch xử lý tín hiệu trên bộ thu chưa được điều chỉnh tối ưu, đề này không nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận án. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh hệ ăng ten thu được thiết kế đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống truyền tin không dây của hệ cảm biến trong môi trường công nhiệp với kênh truyền có độ 16
Chương II phức tạp cao. Hơn nữa, các thiết kế này có thể được coi là hoàn toàn độc lập, phù hợp với nhiều ứng dụng UWB khác nhau. Bảng 2-2. Kết quả đánh giá hoạt động của hệ thống Tên thành phần Phần trăm gói tin được phân phối chính xác Thí nghiệm 1 (1.5m) Thí nghiệm 2 (4.5m) DAPU-1 99.97% 92.60% DAPU-2 99.99% 96.35% Sensor-1 65.29% 63.04% Sensor-2 63.88% 61.36% 2.5. Kết luận chương Trong chương này, nghiên cứu sinh đã tính toán, thiết kế, mô phỏng đánh giá các thông số và chế tạo hệ anten thu phát UWB cho hệ thống truyền tin không dây làm việc trong điều kiện đặc biệt. Các thiết kế được đề xuất là anten đơn cực dạng tam giác cho anten phát và anten loa TEM cho anten thu. Đặc biệt, mẫu anten thu do luận án đề xuất là một thiết kế hoàn toàn mới có ưu điểm là kích thước nhỏ, dễ chế tạo và vẫn đạt được băng thông rộng, độ lợi cao, với giá trị từ 7 – 12 dBi trong dải tần hoạt động. Anten thu có độ lợi tăng tỉ lệ thuận với tần số hoạt động điều này góp phần giảm tổn hao và tăng độ tin cậy cho hệ thống. Kết quả mô phỏng và đo kiểm các mẫu thiết kế cho thấy hệ anten đáp ứng được các yêu cầu về băng thông và độ lợi. Kết quả lắp thử vào hệ thống và thực hiện truyền tin trong phòng thí nghiệm và truyền tin thực tế cũng đã cho những kết quả tốt, chứng mình khả năng hoạt động của hệ anten thu phát UWB do luận án đề xuất. Các kết quả nghiên cứu đề xuất trong chương này được công bố trong các bài báo khoa học số 2, số 3 và số 6 của tác giả. Để mở rộng phạm vi ứng dụng của anten UWB trong thực tế, nghiên cứu sinh ứng dụng các thiết kế anten UWB trên vào hệ thống MIMO - tức là xây dựng hệ anten UWB-MIMO. Tuy nhiên, để đảm bảo hệ thống truyền tin làm việc tin cậy thì vấn đề đặt ra với hệ anten UWB MIMO là cần có một kỹ thuật hiệu quả để cách ly các phần tử anten. Vì vậy, Chương 3 luận án sẽ trình bày nghiên cứu, đề xuất kĩ thuật cách ly hiệu quả nhằm nâng cao hiệu năng hoạt động cho hệ anten UWB-MIMO. 17
Kết luận CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN ANTEN UWB-MIMO SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS Chương này trình bày về kĩ thuật thiết kế anten MIMO và các giải pháp làm giảm tương hỗ, tăng cường cách ly cho anten MIMO nói chung và anten UWB-MIMO nói riêng đồng thời đề xuất giải pháp sử dụng cấu trúc mặt đế không hoàn hảo trong thiết kế anten UWB-MIMO để làm giảm ảnh hưởng tương hỗ và tăng cường cách ly trong một dải tần rất rộng. 3.1 Hệ thống truyền tin UWB-MIMO trong điều kiện đặc biệt Việc nâng cao độ tin cậy cho tín hiệu của các hệ thống UWB mà không làm gia tăng nhu cầu về công suất phát là một đòi hỏi đang được đặt ra trong các hệ thống này. Sự kết hợp của công nghệ UWB vào các hệ thống MIMO đã khắc phục hạn chế của các hệ thống thông tin trong điều kiện đặc biệt do công suất phát của chúng phải thấp để tránh gây nhiễu cho các hệ thống thông tin lân cận [83] [76]. Giải pháp này gặp phải một vấn đề là cần có một kỹ thuật hiệu quả để cách ly các anten phần tử [107] [84]. Việc các phần tử bức xạ đều có băng siêu rộng, dẫn đến kỹ thuật cách ly cho các phần tử này cũng đòi hỏi các yêu cầu phức tạp hơn. Nhằm đi sâu hơn vào phạm vị ứng dụng của công nghệ UWB, tại chương này nghiên cứu sinh đi sâu vào thiết kế anten UWB MIMO hoạt động trong các hệ thống liên lạc vệ tinh di động cụ thể là các anten hoạt động trong băng C (4-8GHz), băng X (8-12GHz) và băng Ku (12-18 GHz). 3.2 Một số kỹ thuật giảm ảnh hưởng tương hỗ và tăng cường độ cách ly cho Anten UWB-MIMO Sự ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần tử anten có ảnh hưởng đáng kể đến dung lượng kênh của anten MIMO trong môi trường truyền dẫn. Các phương pháp tăng cường cách ly và giảm tương hỗ có thể kể đến:  Thay đổi vị trí và hướng đặt anten  Sử dụng mạng cách ly  Sử dụng cấu trúc siêu vật liệu  Sử dụng phần tử ký sinh  Sử dụng phương pháp mặt đế không hoàn hảo DGS 3.3 Đề xuất thiết kế cấu trúc DGS Cấu trúc DGS đề xuất dựa trên việc kết hợp các unit cell. Thiết kế của mỗi unit cell và mạch tương đương của nó được mô tả trong hình 3.1 (a) và (b). (a) (b) Hình 3.1. Cấu trúc DGS giảm tương hỗ a) Thiết kế, b) Mạch tương đương 18