Luận văn MicroStrip - Log Periodic antenna cho hệ thống UWB

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ……o0o…… Ngày …… tháng …… năm 2011 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN (Dành cho người hướng dẫn) 1. Họ và tên SV: NGUYỄN HOÀI ANH Ngành : Viễn Thông  MSSV: 40600060 2. Đề tài: “Microstrip – log periodic antenna cho hệ thống UWB” 3. Họ tên người hướng dẫn : ThS. NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang Số bảng số liệu ……… ……… Số chương Số hình vẽ ……… ……… Số tài liệu tham khảo ……… 5. Tổng quát về các bản vẽ: Phần mềm tính toán ……… - Số bản vẽ: bản A1 bản A2 khổ khác - Số bản vẽ tay 6. Những ưu điểm chính của LVTN: số bản vẽ trên máy tính ....................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 7. Những thiếu sót chính của LVTN: .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 8. Đề nghị: Được bảo vệ □ Không được bảo vệ □ 9. 3 câu hỏi sinh viên trả lời trước Hội Đồng: Bổ sung thêm để bảo vệ □. a) .................................................................................................................................. ................................................................................................................................................... b) ............................................................................................................................................... ................................................................................................................................................... c) ............................................................................................................................................... ................................................................................................................................................... 10. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): Điểm ........................... Ký tên (ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ……o0o…… Ngày …… tháng …… năm 2011 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN (Dành cho người phản biện) 1. Họ và tên SV: NGUYỄN HOÀI ANH Ngành : Viễn Thông  MSSV: 40600060 2. Đề tài: “Microstrip – log periodic antenna cho hệ thống UWB” 3. Họ tên người hướng dẫn : ThS. NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang Số bảng số liệu ……… ……… Số chương Số hình vẽ ……… ……… Số tài liệu tham khảo ……… 5. Tổng quát về các bản vẽ: Phần mềm tính toán ……… - Số bản vẽ: bản A1 bản A2 khổ khác - Số bản vẽ tay 6. Những ưu điểm chính của LVTN: số bản vẽ trên máy tính ........................................................................................................................................ .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 7. Những thiếu sót chính của LVTN: .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 8. Đề nghị: Được bảo vệ □ Không được bảo vệ □ 9. 3 câu hỏi sinh viên trả lời trước Hội Đồng: Bổ sung thêm để bảo vệ □. a) ................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. b) .............................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. c) .............................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. 10. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): Điểm ........................... Ký tên (ghi rõ họ tên) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Thành phố Hồ Chí Minh Khoa: Điện – Điện tử Bộ môn Viễn Thông  CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ……o0o…… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP (Dành cho người hướng dẫn) Họ và tên SV : NGUYỄN HOÀI ANH NGÀNH : VIỄN THÔNG  MSSV: 40600060 LỚP: DD06DV1 1. Đầu đề luận văn: “Microstrip – log periodic antenna cho hệ thống UWB” 2. Nhiệm vụ: (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): ........................................................................................................................................ .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 5. Họ và tên người hướng dẫn: 1. ........................................ ................................................... 2. ........................................ Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn. Ngày …… tháng …… năm 2011 Phần hướng dẫn ................................................... CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) 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 (Ký và ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Em xin dành lời cảm ơn đầu tiên đến thầy hướng dẫn trực tiếp, thầy Nguyễn Dương Thế Nhân. Em biết ơn chân thành sâu sắc sự giúp đỡ của thầy trong suốt thời gian làm đề tài. Thầy là người đã tận tình chỉ bảo, dìu dắt và định hướng cho em từ đồ án, thực tập đến luận văn này. Em xin gửi lời cám ơn, lòng kính trọng đến các thầy cô trong khoa Điện-Điện tử và bộ môn Viễn Thông đã tận tâm dạy bảo truyền đạt những kiến thức quý báu tạo cho em nền tảng kiến thức vững chắc để có thể thực hiện đề tài. Đặc biệt là cảm ơn thầy Hoàng Mạnh Hà đã chỉ bảo cũng như tạo mọi điều kiện cho em khi đo đạc trong phòng thí nghiệm. Con xin gửi lời biết ơn vô hạn đến cha mẹ và gia đình. Cha mẹ đã nuôi nấng, dạy dỗ, luôn động viên hỗ trợ giúp con vượt qua những lúc khó khăn nhất. Tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè và những người thân đã chia sẻ giúp đỡ trong suốt những năm học đã qua. Cuối cùng tôi tự cảm ơn mình, những phấn đấu nỗ lực của bản thân, sự cố gắng học hỏi tiếp thu kiến thức làm hành trang bước vào đời. TP. Hồ Chí Minh, Tháng 1/2011 Sinh Viên NGUYỄN HOÀI ANH TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong những năm gần đây hệ thống thông tin vô tuyến toàn cầu có những bước phát triển thần kỳ. Với tốc độ đó, đòi hỏi phải mở rộng dải tần số hoạt động với xu hướng nghiên cứu các ứng dụng những dải tần cao. Công nghệ UWB ra đời nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp thiết này. Song song đó thì anten (một thiết bị thiết yếu của hệ thống vô tuyến) cũng được phát triển không ngừng để phù hợp với các công nghệ mới ra đời. Luận văn tập trung tìm hiểu hệ thống UWB cũng như các ứng dụng của chúng. Bên cạnh đó, phần quan trọng là xây dựng mô hình lý thuyết anten để làm cơ sở cho việc thiết kế, mô phỏng và thi công một anten băng rộng ứng dụng trong công nghệ này. Anten được chọn thiết kế là anten loga - chu kỳ thực hiện trên nền vi dải (MS-LPDA Antenna). Việc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm IE3D của Zeland. Anten được thi công trên PCB FR- 4. Các kết quả đo đạc thực nghiệm tiến hành trên máy đo cao tần Network Analyzer ZVB8 và các điều kiện sẵn có. MỤC LỤC PHẦN I : XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ULTRA - WIDE BAND (UWB) 5 1.1. Giới thiệu 5 1.2. Đặc điểm của UWB: 5 1.3. Các tiêu chuẩn của UWB 12 1.3.1. Tiêu chuẩn UWB của USA (FCC) 12 1.3.2. Tiêu chuẩn UWB của Châu Âu 13 1.4. Ứng dụng của kỹ thuật UWB 14 1.5. Anten ứng dụng trong UWB radar: 16 1.5.1. Yêu cầu cần có đối với Anten dùng cho UWB radar 16 1.5.2. Một số loại Anten ứng dụng cho UWB Radar 16 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ANTEN 19 2.1. Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến 19 2.2. Các đặc tính của anten 21 2.3. Phần tử cơ bản của anten 25 2.4. Nguồn bức xạ nguyên tố của anten 25 2.4.1. Lưỡng cực điện 25 2.4.2. Lưỡng cực từ 27 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ANTEN VI DẢI (MICROSTRIP ANTENNA) 29 3.1. Giới thiệu 29 3.2. Các đặc tính của Anten vi dải 30 3.3. Các phương pháp phân tích anten vi dải 31 3.4. Anten vi dải hình chữ nhật (RMSAs) 32 3.4.1. Anten vi dải nửa sóng 32 3.4.2. Anten phần tư sóng 35 3.5. Trở kháng vào anten vi dải 36 3.6. Băng thông của anten vi dải 39 3.7. Phân cực của anten vi dải 40 CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP ANTEN BĂNG RỘNG ANTEN LOGA – CHU KỲ 41 4.1. Dải thông tần và dải tần công tác của anten 41 4.1.1. Dải thông tần 41 4.1.2. Dải tần công tác 41 4.2. Phương pháp mở rộng dải tần số của anten chấn tử 42 4.3. Phương pháp thiết lập anten dải rộng theo nguyên lý tương tự 43 4.4. Anten lôga - chu kỳ ( log – periodic antenna) 43 4.5. Đặc điểm kết cấu anten loga chu kỳ và phương pháp tính toán 46 PHẦN II : THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MS-LPDA ANTENNA CHO HỆ THỐNG UWB 52 5.1. Các thông số anten loga chu kỳ 52 5.2. Trình tự thiết kế anten MS-LPDA 53 5.3. Kích thước anten được thiết kế 55 CHƯƠNG 6 : THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC 64 6.1. Các số liệu ban đầu 64 6.2. Các kết quả đo đạc 67 CHƯƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 7.1. Kết quả đạt được 70 7.2. Hướng phát triển đề tài 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................... 71 CÁC TỪ VIẾT TẮT BPF Band-Pass Filter BW BandWidth CDMA Code Division Multiple Access CEPT European Conference of Postal and Telecommunications DSP Digital Signal Processing EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power FCC Federal Communication Commission FNBW First Null BeamWidth GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile Communications HFBW Half-Power BeamWidth IEEE The Institute of Electrical and Electronic Engineers ISI Inter-Symbol Interference ITU International Telecommunications Union LPF Low-Pass Filter MSA Microstrip Antenna MS-LPDA Microstrip – Log Periodic Dipole Array PAM Pulse Amplitude Modulation PCS Personal Communications Service PPM Pulse Position Modulation RMSA Rectangular Microstrip Antenna SNR Signal – to – Noise Ratio SWR Standing Wave Ratio TH Time Hopping UWB Ultra – Wide Band PHẦN I : XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ULTRA - WIDE BAND (UWB) 1.1. Giới thiệu Công nghệ Ultra – Wide Band (UWB) là công nghệ khá mới trong truyền thông hiện nay. UWB là kỹ nghệ vô tuyến truyền dữ liệu với tốc độ cao ở khoảng cách ngắn, băng thông rộng và công suất thấp. UWB truyền nhận thông tin nhờ việc sử dụng hàng triệu xung cực hẹp (độ rộng khoảng vài trăm ps) trong mỗi giây. Kỹ thuật UWB được bắt đầu sử dụng từ khoảng 20 năm trở lại đây, đầu tiên UWB chỉ được sử dụng cho các mục đích quân sự như các ứng dụng radar dò tìm vật thể…. Từ 14-2-2002, FCC (Federal Communication Commission) đã cho phép sử dụng UWB trong dải tần từ 3.1 GHz – 10.6 GHz cho các mục đích dân sự. Ngày nay, kỹ thuật UWB được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực thông tin liên lạc. Nhờ đó các ứng dụng của UWB ngày càng mở rộng và phát triển. 1.2. Đặc điểm của UWB: Những hệ thống thông tin dựa trên nguyên tắc phát xung (Impulse radio) cũng như các hệ thống radar xung (impulse radar) đều sử dụng những xung rất hẹp (vài trăm ps). Do đó sẽ tạo ra tín hiệu có phổ vô cùng rộng (ultra – wideband spectrum). Và kỹ thuật điều chế sử dụng cho các hệ thống này là: Điều chế vị trí xung (Pulse Posititon Modulation – PPM). Các tín hiệu UWB là các tín hiệu ở bộ xung tương đối khó. Tuy nhiên nhờ mật độ công suất nhỏ mà các tín hiệu UWB sẽ chống được hiện tượng giao thoa (interference). Đây là trở ngại lớn trong các hệ thống thông tin băng hẹp. UWB có đặc điểm khác có hệ thống thông tin khác là: băng thông rất rộng và được truyền dưới dạng không sóng mang (carrierless). Băng thông của hệ thống UWB lớn hơn rất nhiều băng thông của các hệ thống hiện tại sử dụng trong thông tin liên lạc. UWB là tín hiệu có băng thông tỷ lệ chiếm 20% của tần số trung tâm hoặc băng thông tối thiểu 500MHz bất kể băng thông tỷ lệ.
Hình 1.2.1. Phổ của hệ thống UWB và một số hệ thống khác Các tín hiệu UWB là tín hiệu giống nhiễu (Noiselike). Do đó, việc nhận và tách tín hiệu ở bộ thu tương đối khó. Tuy nhiên nhờ mật độ công suất nhỏ mà tín hiệu UWB sẽ chống được hiện tượng giao thoa, đây là khó khăn lớn nhất trong hệ thống thông tin băng hẹp. Do phụ thuộc vào độ rộng và hình dạng của xung, băng thông của tín hiệu có thể đạt được vài trăm MHz đến vài GHz trong khi đối với các hệ thống khác, băng thông thường nhỏ hơn 10% tần số trung tâm.
Hình 1.2.2. Tín hiệu xung và phổ của hệ thống UWB Với băng thông rất rộng, UWB có kênh truyền vượt trội so với các hệ thống vô tuyến khác. Dung lượng kênh truyền theo định lý Shannon được định nghĩa như sau: C = BW log2 (1 + SNR) (1.1) Với: C : Dung lượng kênh (bits/sec) BW : Băng thông kênh truyền (Hz) SNR : Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Phương trình trên cho thấy dung lượng kênh truyền tăng tuyến tính theo băng thông, mà băng thông của kỹ thuật UWB rất lớn nên kỹ thuật UWB có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ cao, dung lượng lớn. Phương pháp điều chế thời gian (Time – Modulated) cho UWB dựa trên việc phát không liên tục các xung Gauss cực ngắn hoặc một số dạng xung khác như xung monocycle…. Mỗi xung có phổ tần số rất rộng (Ultra Wide). Phương pháp truyền dẫn này không yêu cầu phải có sóng mang, các xung sẽ được truyền trực tiếp trên kênh truyền UWB. Các nguyên lý trên được xem là kỹ thuật phát xung (IR) trong UWB. Mỗi bit thông tin sẽ được trải trên N xung monocycle để chống nhiễu và hiện tượng giao thoa (Interference) trên kênh truyền. Độ lợi tiến trình (Processing gain) của phương pháp truyền dẫn này được dẫn ra bởi công thức: PG1 = 10 log10 ( N ) (1.2) Dạng xung monocycle cho UWB phải có phương trình thỏa mãn phổ tần số rộng. Xung Gauss, xung Laplace, xung Rayleigh, xung Hermit là các xung phù hợp với yêu cầu trên. Điều chế dữ liệu cho UWB thường dựa trên phương pháp định vị xung (Pulse Position Modulation - PPM), phương pháp điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation – PAM). Tại bộ thu tín hiệu sẽ lấy tương quan chéo trực tiếp từ tín hiệu RF thu được, do đó không cần sự xuất hiện của bộ converter nữa. Không giống như trong các hệ thống trải phổ hiện hành, các xung trong UWB không cần thiết phải xuất hiện trong toàn bộ chu kỳ. Có nghĩa là chu kỳ làm việc (duty cycle) có thể rất thấp. Bộ thu chỉ cần phát hiện tín hiệu trên kênh truyền trong một khoảng thời gian rất ngắn giữa các xung. Do đó, Processing Gain tại bộ thu: PG2 = 10 log10 (
) (1.3) Với Tf : Khung thời gian dịch (Time hopping frame) Tp : Độ rộng xung ( Impulse Width) Do đó, độ lợi tổng của tiến trình (Total Processing Gain) sẽ là tổng của hai độ lợi trên: PG = PG1 + PG2 (1.4) UWB nhờ sử dụng phát xung không liên tục nên đã hạn chế được ảnh hưởng của hiện tượng đa đường. Rõ ràng nếu thời gian của xung phát lớn hơn thời gian trễ của kênh truyền (Channel delay) thì sẽ không còn xuất hiện hiện tượng ISI nữa. Trong truyền dẫn không liên tục, các xung liên tiếp nhau sẽ được gửi đi trong từng frame thời gian. Các frame (Tf) này được xác định bởi các mã dịch thời gian giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Time – Hopping Code). Do độ rộng xung rất nhỏ, thời gian lặp lại của các xung lại lớn (so với độ rộng xung), nên xung sau khi được phát đi sẽ bị suy hao rất nhanh trước khi 1 xung kế tiếp được phát. Do đó sẽ chống được hiện tượng giao thoa xung (InterPulse Interference). Trong miền thời gian, xung monocycle Gauss được xác định bởi vi phân bậc nhất của xung Gauss. Hình 1.2.3 và 1.2.4 sẽ biểu diễn xung monocycle Gauss trong miền thời gian và tần số với độ rộng xung khác nhau:
Hình 1.2.3 Xung monocycle Gauss trong miền thời gian
Hình 1.2.4. Xung monocycle Gauss trong miền tần số Hàm toán học của xung monocycle Gauss được xác định như sau:
(1.5) Với A : biên độ xung Tp : độ rộng xung Biến đổi Fourier qua miền tần số ta được:
(1.6) Hình 1.2.5 đưa ra sơ đồ khối cho hệ thống Time – Hopping UWB (TH UWB) dựa trên nguyên tắc phát xung và dùng kỹ thuật điều chế PPM.
Hình 1.2.5. Hệ thống UWB dựa trên TH- PPM Dạng xung và phổ của nó trong hệ thống được trình bày ở hình 1.2.6 và 1.2.7.Trong hình 1.2.6, đường nét liền diễn tả cho xung được tạo ra và đường nét đứt diễn tả cho dạng xung trên kênh truyền. Anten UWB hoạt động tương đương với 1 bộ lọc thông cao và có thể được thay thế bởi 1 khối vi phân trong miền thời gian. Do đó, dạng xung được truyền đi trên đường truyền sẽ là dạng vi phân bậc nhất của tín hiệu xung được tạo ra.
Hình 1.2.6. Các dạng xung Gauss trong hệ thống TH UWB
Hình 1.2.7. Phổ bên miền tần số Trong hình 1.2.6 và 1.2.7, xung Gauss kép (Gaussian Doublet Pulse) cũng được đưa