Phân tích và thiết kế giàn anten quasi yagi ứng dụng cho hệ thống radar ở dải sóng milimet

.....

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
________________________

NGUYỄN THỊ MINH THUỶ

Phân tích và thiết kế giàn anten quasiYagi ứng dụng cho hệ thống ra-đa ở dải
sóng milimét

LUẬN VĂN THAC SỸ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐÀO NGỌC CHIẾN

HÀ NỘI - 2010


LỜI CAM ĐOAN
Ngoài sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của Giảng viên TS. Đào Ngọc Chiến,
cuốn luận văn này là sản phẩm của q trình tìm tịi, nghiên cứu và trình bày của tác
giả về đề tài trong luận văn. Mọi số liệu, quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận
của các tài liệu và các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng quy định.
Vì vậy, tác giả xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng mình.
Hà nội, tháng 10 năm 2010
Tác giả

Nguyễn Thị Minh Thủy

1

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
MỤC LỤC...................................................................................................................2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................5
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................8
Chương 1: TỔNG QUAN .........................................................................................10
1.1. Nhu cầu mạng không dây hiện nay................................................................10
1.2. Động lực phát triển.........................................................................................12
1.2.1. Dải tần số và mơi trường truyền sóng .....................................................12
1.2.2. Đặc điểm dải sóng milimét .....................................................................14
1.2.3. Một số ứng dụng cơng nghệ sóng milimét..............................................15
1.3. Kết quả mong muốn .......................................................................................22
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..............................................................................24
2.1. Nhắc lại lý thuyết trường ...............................................................................24
2.1.1. Phương trình Maxell và điều kiện biên...................................................24
2.1.2. Phương trình thế......................................................................................25
2.1.3. Điều kiện bờ ............................................................................................29
2.1.4. Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn ...........................................30
2.2. Lý thuyết chung về anten. ..............................................................................40
2.2.1. Khái niệm về anten..................................................................................40
2.2.2. Những đặc trưng cơ bản của anten..........................................................41
2.2.3. Các hệ thống anten ..................................................................................47
2.3. Giới thiệu anten vi dải....................................................................................48
2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten vi dải ...................................48
2

2.3.2. Tính phân cực của anten vi dải ...............................................................53
2.3.3. Băng thông của anten vi dải....................................................................54
2.3.4. Ưu, nhược điểm của anten vi dải và xu hướng phát triển.......................54
2.4. Giới thiệu về anten mảng ...............................................................................55
2.4.1. Các tham số cơ bản của một anten mảng................................................55
2.4.2. Phân loại anten mảng ..............................................................................57
2.4.3. Các định nghĩa, lý thuyết chung của anten mảng ...................................62
Chương 3 : PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ GIÀN ANTEN QUASI-YAGI DẢI TẦN
30 GHZ......................................................................................................................68
3.1. Giới thiệu anten Yagi-Uda truyền thống........................................................68
3.2. Lý thuyết anten quasi-Yagi ............................................................................71
3.3. Phân tích và thiết kế anten mảng quasi-Yagi dải tần 30 GHZ.......................73
3.3.1. Thiết kế anten quasi-Yagi dải tần 30 GHZ .............................................74
3.3.2. Thiết kế bộ Feed cho anten mảng quasi-Yagi - 30 GHZ ........................78
3.3.3. Thiết kế anten mảng quasi-Yagi dải tần 30 GHZ ...................................79
3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận .....................................................................79
3.4.1. Giới thiệu công cụ mô phỏng - Ansoft HFSS. ........................................79
3.4.2. Q trình phân tích thích ứng..................................................................81
3.4.3. Kết quả mô phỏng ...................................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................96
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH-VIỆT .....................................................98

3


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BEM

Boundary Element Method

Phương pháp phần tử biên

BSC

Base Station Control

Trạm điều khiển gốc

BTS

Base Transceiver Station

Trạm phát sóng gốc

CPS

Coplanar stripline

Đường vi dải đồng phẳng

CPW

coplanar waveguide

ống dẫn sóng đồng phẳng

FDTD

Finite difference time domain

Biến đổi hữu hạn miền thời gian

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

IF

Intermediate Frequence

Tần số trung tần

LAN

Local Area Network

Mạng máy tính cục bộ

LOS

Light of sight

Tầm nhìn thẳng

mm

Millimeter

milimét

MoM

method of moment

Phương pháp mơ-men

MSA

Microstrip Anten

anten vi dải

MW

Millimeter Wave

sóng millimét

MWT

Millimeter wave technology

Cơng nghệ sóng millimét

RF

Radio Frequence

Sóng vơ tuyến

SNR

Signal Noise Ratio

Tỉ số tín trên tạp

V2V

Vehicle to Vehicle

xe với xe

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng vô tuyến cục bộ

WPAN

Wireless Personnal Area Network Mạng vô tuyến cá nhân

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: So sánh giữa phương pháp mô-men và phương pháp phần tử hữu hạn...39
Bảng 3.1: Thơng số kích thước của anten truyền thống (đơn vị µm) .......................77

4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Tốc độ dữ liệu, phạm vi chuẩn WLAN và WPAN và ứng dụng. .............12
Hình 1.2: Phổ tần số ..................................................................................................12
Hình 1.3: Các phương thức truyền sóng ...................................................................13
Hình 1.4: Sóng khơng gian và chân trời vơ tuyến.....................................................14
Hình 1.5: Hệ thống giao tiếp V2V ............................................................................16
Hình 1.6: Hệ thống cơng nghệ “Nút giao nhau thơng minh”....................................17
Hình 1.7: Mơ hình kết nối BTS – BSC sử dụng MWT ............................................18
Hình 1.8: Mơ hình minh họa thơng tin vệ tinh tại thành phố....................................19
Hình 2.1: Điều kiện biên của E và B.........................................................................29
Hình 2.2: Những phần tử hữu hạn điển hình ............................................................32
Hình 2.3: (a) Miền nghiệm; (b) Sự rời rạc hóa phần tử hữu hạn miền nghiệm ........32
Hình 2.4: Phần tử tam giác điển hình........................................................................34
Hình 2.5: Rời rạc hóa miền nghiệm khơng đồng nhất. .............................................34
Hình 2.6: Tổng hợp ba phần tử i-j-k .........................................................................35
Hình 2.7: Miền nghiệm đối xứng qua trục................................................................37
Hình 2.8: Cách chia miền nghiệm thành các phần tử ...............................................38
Hình 2.9: Hệ thống anten thu và phát .......................................................................40
Hình 2.10: Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực...................................................44
Hình 2.11: Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc...................................................45
Hình 2.12: Cấu trúc anten vi dải và hệ tọa độ[6 ] .....................................................48
Hình 2.13: Các hình dạng của anten vi dải dạng tấm. ..............................................49
Hình 2.14: Cấu trúc anten dipole vi dải. ...................................................................50
Hình 2.15: Các dạng cơ bản của anten khe vi dải.....................................................50
Hình 2.16: Các hình dạng của anten vi dải sóng chạy. .............................................50
Hình 2.17: Tiếp điện bằng cáp đồng trục..................................................................51
Hình 2.18: Tiếp điện bằng đường vi dải ..................................................................51
Hình 2.19: Tiếp điện bằng ghép khe[6] ....................................................................52
Hình 2.20: Trường bức xạ E và H của anten vi dải.[6].............................................52

5


Hình 2.21: Tiếp điện bằng 1 đường vi dải [4]...........................................................53
Hình 2.22: Tiếp điện bằng 2 đường vi dải vào hai cạnh của anten [4] .....................53
Hình 2.23: Một mảng tuyến tính cách đều................................................................58
Hình 2.24: Mảng vịng với k phần tử cách đều.........................................................59
Hình 2.25: Mảng phẳng hình chữ nhật......................................................................60
Hình 2.26 : Mảng phẳng hình lục giác......................................................................61
Hình 2.27: Mạng điều khiển búp sóng tương tự .......................................................63
Hình 2.28: Anten mảng vi dải gồm bốn phần tử.......................................................64
Hình 2.29: Mảng pha tuyến tính ...............................................................................64
Hình 3.1: Anten Yagi - Uda (Anten Dẫn xạ )...........................................................69
Hình 3.2: Mơ hình anten Yagi-Uda và quasi-Yagi ...................................................72
Hình 3.3: Mơ hình thiết kế chi tiết anten quasi -Yagi...............................................75
Hình 3.4: a) bộ chuyển đổi λ/4 ; b) bộ chia tín hiệu đầu vào..................................76
Hình 3.5: Bộ trễ 1800; a) góc chuyển 900 ; b) góc chuyển 450 .............................76
Hình 3.6: Kết nối bộ trễ và CPS................................................................................77
Hình 3.7: Mơ hình thiết kế và mơ phỏng anten quasi-Yagi......................................77
Hình 3.8: Mơ hình thiết kế bộ Feed cho anten mảng quasi-Yagi .............................78
Hình 3.9: Mơ phỏng bộ Feed cho .............................................................................78
Hình 3.10: Mơ hình thiết kế anten mảng quasi-Yagi................................................79
Hình 3.11: Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS:.................................................80
Hình 3.12: Các bộ quét tần số ...................................................................................82
Hình 3.13: Các nguồn kích thích...............................................................................83
Hình 3.14: Các điều kiện biên...................................................................................84
Hình 3.15: Loại lời giải trong HFSS .........................................................................84
Hình 3.16: Sơ đồ khối thực hiện mơ phỏng của HFSS.............................................85
Hình 3.17: Mơ phỏng hình ảnh 3D - anten quasi-Yagi 30 GHZ ..............................86
Hình 3.18: Mơ phỏng bức xạ trường E, anten quasi-Yagi 30 GHZ..........................86

Hình 3.19: Mơ phỏng bức xạ dịng mặt, anten quasi-Yagi 30 GHZ.........................86
Hình 3.20: Đồ thị tổn hao ngược S11 của anten quasi-Yagi -30 GHZ.....................87
Hình 3.21: Đồ thị bức xạ mặt phẳng E và H anten quasi-Yagi -30 GHZ ................87
6


Hình 3.22: Đồ thị bức xạ phân cực thẳng và ngang, anten quasi-Yagi 30 GHZ ......87
Hình 3.23: Mơ phỏng bức xạ trường E bộ feed, anten quasi-Yagi 30 GHZ.............88
Hình 3.24: Mơ phỏng dịng mặt, bộ feed, anten quasi-Yagi 30 GHZ.......................88
Hình 3.25: Hệ số truyền đạt của bộ feed -30 GHZ ..................................................88
Hình 3.26: Mơ hình 3D, anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ........................................89
Hình 3.27: Mô phỏng bức xạ trường E, anten mảng quasi -Yagi 30 GHZ...............89
Hình 3.28: Mơ phỏng bức xạ dịng mặt, anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ...............89
Hình 3.29: Đồ thị tổn hao ngược S11, anten mảng quasi –Yagi 30 GHZ ................90
Hình 3.30: Đồ thị bức xạ mặt phẳng E anten mảng quasi-Yagi ...............................90
Hình 3.31: Bức xạ phân cực thẳng và ngang trong mặt phẳng E .............................90
Hình 3.32: Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng H, anten mảng quasi –Yagi 30GHZ .....91
Hình 3.33: Đồ thị bức xạ phân cực thẳng và ngang trong mặt phẳng H...................91
Hình 3.34: Hình ảnh 3D - Độ tăng ích anten mảng quasi – Yagi .............................91
Hình 3.35: Hình ảnh 3D anten mảng quasi-Yagi - 30 GHZ nghiêng ± 450 ..............92
Hình 3.36: Bức xạ trường E, anten mảng quasi -Yagi 30 GHZ nghiêng ± 450 ........92
Hình 3.37: Bức xạ dịng mặt, anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ nghiêng ± 450 ........92
Hình 3.38: Tổn hao ngược S11 anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ nghiêng ± 450 .....93
Hình 3.39: Độ tăng ích anten mảng quasi-Yagi-30 GHZ nghiêng góc ± 450 ...........93
Hình 3.40: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ, góc 00 .........................93
Hình 3.41: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ nghiêng góc 450 ...........94
Hình 3.42: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ, góc 900 ........................94
Hình 3.43: Đồ thị bức xạ anten mảng quasi-Yagi 30 GHZ, góc -450 .......................94

7

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội nhu cầu thông tin liên lạc của con người là
rất lớn, các hệ thống thông tin liên lạc đã và đang góp phần đặc biệt quan trọng vào
q trình phát triển kinh tế, xã hội, quốc phòng và an ninh của mọi quốc gia, đặc
biệt trong xu thế toàn cầu hóa như hiện nay. Trong các hệ thống thơng tin vơ tuyến
vai trị của anten là vơ cùng quan trọng, nó quyết định đến chất lượng của kênh
truyền sóng. Quá trình thu hoặc phát tín hiệu bên cạnh tín hiệu hữu ích cịn có rất
nhiều các loại nhiễu và tạp âm khác tới thiết bị thông tin với biên độ, tần số, hướng
tới, thời gian khác nhau có thể dẫn tới mất tin hay gián đoạn thơng tin. Do đó, việc
nghiên cứu về anten mảng có ý nghĩa hết sức quan trọng vì đầu ra anten mảng về lý
tưởng sẽ tạo ra một “búp sóng khơng” về phía nguồn nhiễu và búp sóng chính về
phía tín hiệu, dẫn đến q trình triệt nhiễu được dễ dàng, qua đó quyết định đến chất
lượng thu phát tín hiệu của hệ thống thơng tin.
Gần đây, các hệ thống ra-đa hoạt động ở dải sóng milimét sử dụng cho các
phương tiện cơ giới đã và đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên
cứu cũng như các hãng sản xuất. Các hệ thống ra-đa này có khả năng hỗ trợ con
người trong điều kiện thời tiết xấu qua đó giúp giảm thiểu các nguy cơ gây tai nạn
cho các phương tiện cơ giới. Hệ thống ra-đa nói trên sử dụng sóng phân cực tuyến
tính và nghiêng một góc ± 45 độ để tránh can nhiễu đến những phương tiện lân cận.
Anten cho hệ thống ra-đa này địi hỏi phải có hiệu suất bức xạ cao đồng nghĩa với
hệ số tăng ích lớn để có thể dị tìm được những vật thể từ khoảng cách xa, có kích
thước nhỏ, và dễ dàng chế tạo.
Xuất phát từ những cơ sở khoa học và nhu cầu đòi hỏi từ thực tiễn, luận văn cao
học với tên đề tài:“Phân tích và thiết kế giàn anten quasi-Yagi ứng dụng cho hệ
thống ra-đa ở dải sóng milimét” đã bước đầu xây dựng giải pháp thực hiện nhằm
đạt được mục tiêu cụ thể như sau:
• Nghiên cứu tổng thuật các tài liệu kỹ thuật liên quan đến cơng nghệ vơ tuyến
ở dải sóng milimét (≥ 30GHz).

8


• Tìm hiểu và sử dụng thành thạo cơng cụ phân tích và thiết kế anten dựa trên
phương pháp phần tử hữu hạn miền tần số.
• Phân tích và thiết kế giàn anten quasi-Yagi ở tần số 30 GHz cho hệ thống rađa trên các phương tiện cơ giới.
Do điều kiện thời gian và trình độ cịn hạn chế, nên những sai sót trong q trình
làm luận văn là khó tránh khỏi. Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, nhận xét của
các thầy cô giáo nhằm giúp cho luận văn được hồn thiện hơn.
Tơi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn tới thầy TS. Đào Ngọc Chiến đã định
hướng, tạo điều kiện và hướng dẫn nhiệt tình giúp cho Tơi hồn thành luận văn tốt
nghiệp. Tơi cũng chân thành cảm ơn bạn Bùi Văn Hà và các bạn bè tại phịng
nghiên cứu và phát triển truyền thơng (CRD), cũng như các thầy cô trong khoa Điện
tử -Viễn Thông đã giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Người thực hiện luận văn

NGUYỄN THỊ MINH THỦY

9


Chương 1: TỔNG QUAN
Chương 1 bắt đầu bằng việc tìm hiểu hiện trạng, sự phát triển, cũng như nhu
cầu của hệ thống thông tin hiện tại. Các phần tiếp theo là động lực thúc đẩy sự
nghiên cứu phát triển chuẩn cơng nghệ cho dải sóng millimét. Cuối chương là u
cầu với anten cho những hệ thống hoạt động tại dải sóng millimét, và kết quả mong
muốn thực hiện trong luận văn.

1.1. Nhu cầu mạng không dây hiện nay
Ngày nay, trong xu thế hội nhập, tồn cầu hóa, cùng với sự bùng nổ của khoa
học kĩ thuật hiện đại, công nghệ viễn thông tiên tiến, những ứng dụng, dịch vụ đa
phương tiện được đưa tới người dùng với nội dung, chất lượng ngày một nâng cao.
Nhu cầu về dịch vụ tích hợp tốc độ cao dường như sẽ phát triển nhanh chóng trong
tương lai gần. Đây là một thách thức lớn đối với những nhà nghiên cứu cũng như
nhà cung cấp dịch vụ khi cần phải xây dựng chuẩn cho các công nghệ kĩ thuật nhằm
đáp ứng được nhu cầu này.
Sự chấp nhận một thế hệ của công nghệ Ethernet được quyết định bởi các yếu
tố như kinh tế, nhu cầu, và tốc độ tại đó giá của cơng nghệ mới cạnh tranh được so
với cơng nghệ cũ. Vì giá của 100 Mbps Ethernet giảm và bằng giá của 10 Mbps
Ethernet trước đó, người dùng sẽ nhanh chóng chuyển sang Ethernet tốc độ 100
Mbps có mức hiệu năng cao hơn. Trong tháng 1 năm 2007, Ethernet tốc độ 10 Gbps
truyền trên sợi cáp đồng được giới thiệu, thêm vào đó, Ethernet tốc độ gigabit có
tính kinh tế hơn cho những kết nối sever và kết nối desktop với giá rẻ hơn giá của
công nghệ 100 Mbps. Như một hệ quả, công nghệ Ethernet tốc độ gigabit trở thành
chuẩn cho những máy chủ, và những hệ thống ngày nay đuợc thiết kế với card
mạng tốc độ gigabit. Khi giá của hệ thống gigabit không dây đạt tới giá của đường
truyền/ kết nối 100 Mbps, người dùng sẽ chuyển sang sản phẩm có hiệu năng cao
hơn, cho cả những ứng dụng không dây truyền thống, cũng như cho những ứng
dụng hệ thống với tốc độ gigabit. Trong khía cạnh của một mơ hình kinh tế, giao
tiếp không dây đang hướng tới cách tiếp cận cần cho tốc độ gigabit và kết nối vùng
rộng hơn như những ứng dụng xuất hiện cho mạng audio/visual (A/V) gia đình,
10


multimedia chất lượng cao, dịch vụ thoại và số liệu. Hệ thống WLANs có thể cung
cấp tốc độ cực đại là 54 Mbps, với 200 – 500 Mbps như IEEE 802.11n, chuẩn bị
đưa vào khai thác. Tuy nhiên, ngay cả tốc độ với 500 Mbps, WLANs cũng không
thể đáp ứng được nhu cầu truy cập tốc độ cao hơn từ những chương trình mới và sự

cạnh tranh từ mạng LANs 10 Gbps. Thêm vào đó, tương lai mạng A/V gia đình sẽ
yêu cầu tốc độ dữ liệu lên tới Gbps để hỗ trợ cho nhiều dòng A/V tốc độ cao (ví dụ
truyền tải video khơng nén chất lượng cao với độ phân giải lên tới 1920x1080, với
kích thước lưới từ 5 tới 10 ms).
Dựa trên yêu cầu kĩ thuật của những ứng dụng cho hệ thống không dây tốc độ
cao, những nhà xây dựng chuẩn cơng nghệ cần phải tính tới những vấn đề sau:
• Áp lực tăng tốc độ dữ liệu sẽ vẫn tiếp tục.
• Yêu cầu cho những ứng dụng đa phương tiện (multimedia) không dây, độ
phân giải cao, u cầu tốc độ truyền lớn hơn.
• Dịng dữ liệu và thời gian download cũng như phục hồi dữ liệu cho thiết bị di
động và thiết bị cá nhân sẽ cùng đặt ra yêu cầu vào nguồn dữ liệu chia sẻ.
Một vài huớng tiếp cận, như IEEE 802.11n, đang tăng tốc độ dữ liệu bằng
cách cải tạo những chuẩn WLANs để tăng tốc độ dữ liệu và đạt tới tốc độ nhanh
gấp 10 lần so với IEEE 802.11g. Những yếu tố khác như băng thơng rộng đang địi
hỏi nhiều hơn nữa những biện pháp hữu hiệu, như chia sẻ phổ với những người sử
dụng khác. Một cách khác chắc chắn đưa vào thực tế là phương pháp đưa lên dải tần
cao hơn, chưa đuợc sử dụng và không thông dụng đó là dải tần với bước sóng
millimét (millimeter wave - MW) .
Mặc dù cơng nghệ sóng mm đã được cơng bố trong nhiều năm gần đây, nhưng
hệ thống sóng mm mới chỉ đuợc khai thác chủ yếu trong lĩnh vực quân sự. Hiện tại
với những ưu điểm trong công nghệ xử lý và những giải pháp tích hợp chi phí thấp,
cơng nghệ này đã bắt đầu thu hút sự quan tâm lớn từ những chuyên gia, nhà thương
mại và những nhà xây dựng chuẩn. Nói chung, cơng nghệ sóng mm được phân loại
theo tần số từ 30 GHz tới 300 GHz tương ứng với bước sóng từ 10 tới 1 mm. Tuy
đem lại nhiều ưu điểm, nhưng hệ thống thơng tin dựa trên cơng nghệ sóng mm cũng
gặp phải nhiều vấn đề cần phải giải quyết, như chuẩn IEEE 802.11n sẽ tăng hiệu
11


năng của hệ thống thông tin không dây, nhưng mới chỉ băng thơng được tăng lên,

cịn tốc độ dữ liệu vẫn thấp hơn 1 Gbps. Dưới đây là hình ảnh minh họa tốc độ dữ
liệu và phạm vi yêu cầu cho những hệ thống WLAN và WPAN.

Hình 1.1: Tốc độ dữ liệu, phạm vi chuẩn WLAN và WPAN và ứng dụng.
Bởi vì cần có sự phân biệt giữa những chuẩn khác nhau cho sự khai thác
thương mại. Chuẩn IEEE 802.15.3c được dùng để cung cấp tốc độ gigabit và vùng
hoạt động rộng hơn. Tại những tốc độ và phạm vi này, việc cung cấp năng lượng
thích hợp cho hoạt động của hệ thống sóng mm phải đảm bảo một liên kết ổn định,
tin cậy đó là nhiệm vụ khó khăn. Hơn thế nữa, lan truyền trễ của kênh cũng là vấn
đề một giới hạn khác trong truyền tin tốc độ cao. Những giá trị trễ lan truyền lớn có
thể dễ dàng tăng độ phức tạp của hệ thống vượt quá giới hạn cân bằng.

1.2. Động lực phát triển
1.2.1. Dải tần số và mơi trường truyền sóng

Hình 1.2: Phổ tần số
Thơng tin vô tuyến bảo đảm việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng điện từ.
Mơi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nước, đôi khi là các lớp địa
chất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến. Việc phân kênh chủ

12


yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số. Phổ tần tổng cộng và miền áp dụng của chúng được
chỉ ra tại hình 1.2.

• Các phương thức truyền lan sóng điện từ
Các sóng bức xạ từ điểm phát có thể đến được các điểm thu theo những đường
khác nhau. Các sóng truyền lan dọc theo bề mặt quả đất gọi là sóng đất hay sóng bề
mặt, cịn các sóng đi tới các lớp riêng biệt của tầng ion và phản xạ lại gọi là sóng

điện ly hay sóng trời và sóng khơng gian (gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ
mặt đất).

Hình 1.3: Các phương thức truyền sóng
Sóng điện từ lan truyền từ anten phát đến anten thu có thể theo nhiều phương
thức khác nhau được thể hiện trên hình 1.3. Gồm sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ
mặt đất, truyền trong vài km tầng dưới của khí quyển. Sóng trực tiếp lan truyền giữa
các đường thẳng anten phát và anten thu, cịn gọi là LOS. Vì thế sóng khơng gian bị
hạn chế bởi độ cong của trái đất.
Sóng phản xạ từ đất là sóng phản xạ từ bề mặt trái đất khi lan truyền giữa anten
phát và thu. Độ cong của trái đất tạo nên chân trời đối với sự truyền lan sóng khơng
gian, thường gọi là chân trời vơ tuyến. Có thể kéo dài chân trời vơ tuyến bằng cách
nâng cao anten phát hoặc thu (hay cả hai) bằng tháp hoặc đặt trên đỉnh núi hoặc tồ
nhà. Hình 1.4 chỉ ra ảnh hưởng của độ cao anten đến chân trời vơ tuyến. Chân trời
vơ tuyến nhìn thẳng đối với một anten bằng: d = 2h
Trong đó: d: Khoảng cách đến chân trời vô tuyến (dặm);
h: Độ cao anten so với mực nước biển (phít).
13


Hình 1.4: Sóng khơng gian và chân trời vơ tuyến
Do đó, khoảng cách giữa anten phát và anten thu là:

d = dt + d r =

2 ht + 2 hr

Trong đó: d là tổng khoảng cách (dặm), dt , d r là chân trời vô tuyến đối với anten
phát và thu (dặm hoặc km), ht , hr là độ cao anten phát và thu (phít hoặc mét).
Khoảng cách cực đại giữa máy phát và máy thu trên đất trung bình có thể tính gần

đúng theo cơng thức sau (đơn vị mét):

d (max) = 17 ht + 17 hr
Như vậy, khoảng cách truyền sóng khơng gian có thể tăng bằng cách tăng độ
cao anten phát, anten thu hoặc cả hai. Do các điều kiện ở tầng dưới khí quyển hay
thay đổi nên mức độ khúc xạ thay đổi theo thời gian.

1.2.2. Đặc điểm dải sóng milimét
Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu những đặc điểm dải sóng milimét và những
ứng dụng có thể được triển khai trên dải tần này.
Băng tần Ka (30/20 GHz) được sử dụng rất hạn chế vì điều kiện truyền sóng rất
khó khăn do bị suy hao lớn vì mưa. Một số nước đang nghiên cứu thực nghiệm và triển
khai tích cực các ứng dụng trên băng tần này như Mỹ, Đức, Italy, Nhật bản, Hàn quốc.
Nhưng với khả năng cung cấp dải băng thông rất lớn dải tần 30 GHz được kì vọng sẽ đáp
ứng được nhu cầu ngày một tăng về dịch vụ tích hợp tốc độ cao. Sau đây là những ưu
điểm và đặc điểm chính của cơng nghệ 30 GHz.
- Chưa được đưa vào khai thác, sử dụng nhiều.

14


-

Hoạt động ổn định cao: Do hoạt động trong phạm vi ngắn, độ rộng búp
sóng hẹp và khơng có tường hấp thụ. Giới hạn hoạt động gần như tự do.

-

Khả năng tái sử dụng tần số cao. Công nghệ ổn định.

-

Suy hao đường truyền lớn trong khí quyển và mưa.

Cơng nghệ này có thể sử dụng trong triển khai Internet tốc độ cao. Truyền số liệu,
ảnh, dữ liệu, âm thanh với tốc độ cao trong phạm vi hẹp phù hợp cho các hệ thống
thơng tin u cầu tính bảo mật cao phục vụ cho quân sự và an ninh quốc gia.

1.2.3. Một số ứng dụng cơng nghệ sóng milimét
Cơng nghệ sóng mm cho nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với những hệ thống
thông tin hiện tại. Một trong những tiêu chí quyết định khiến cho cơng nghệ sóng
mm thu hút chú ý quan tâm trong thời gian gần đây là việc cung cấp lượng băng
thông chưa sử dụng rất lớn. Trong khi có thể cung cấp băng thơng cho mục đích
băng thơng rộng (UWB), thì dải tần 30 GHz là dải liên tục và ít bị hạn chế bởi giới
hạn cơng suất và có rất ít người đang sử dụng. Khả năng cung cấp băng rộng cũng
như sự linh động giúp công nghệ 30 GHz trở nên hấp dẫn cho những ứng dụng
không dây tốc độ gigabit.
Tuy nhiên suy hao đường truyền lớn là nhược điểm tại dải tần số 30 GHz, nó
giới hạn cơng suất và hoạt động hệ thống với môi trường trong nhà và di động. Vì
vậy, những mức gây nhiễu cho 30 GHz là ít hơn so với những hệ thống tại vùng tần
số (2- 2.5 GHz), và (5 – 5.8 GHz). Thêm vào đó, tại tần số càng cao, việc tái sử
dụng tần số có thể thực hiện tại những khoảng cách ngắn trong mơi trường di động.
Kích thước nhỏ, nhẹ của thiết bị cho dải tần 30 GHz cũng cho phép nhiều anten có
thể sử dụng tại phía người dùng điều mà rất khó thực hiện với những hệ thống tần
số thấp hơn. So sánh với hệ thống 5 GHz, chỉ số kích thước của hệ thống sóng mm
nhỏ hơn gần 100 lần và có thể tích hợp dễ dàng trong thiết bị người dùng, nhưng sẽ
yêu cầu những phương pháp thiết kế mới để phù hợp với yêu cầu của hệ thống
thông tin hiện đại. Đặc điểm ở băng tần này là phổ tần của băng tần rất lớn nên có
thể dễ dàng sử dụng lại băng tần nhiều lần bằng các chùm tia nhỏ. Những đặc điểm
trên đây cho phép công nghệ sóng milimét có thể được sử dụng trong những ứng

15


dụng không dây hiện nay. Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu những ứng dụng điển
hình có thể triển khai trên dải tần GHz. Sau đây là một số ứng dụng sẽ được giới
thiệu lần lượt dưới đây.
¾ Hệ thống thơng tin vơ tuyến đa chặng V2V

Hình 1.5: Hệ thống giao tiếp V2V
“Vehicle to Vehicle – xe với xe” Các xe lưu thơng trên đường có khả năng trao
đổi thơng tin với nhau về: tốc độ, địa điểm, sự chuyển hướng, v.v… thông qua
V2V. Hệ thống này hoạt động ở dải sóng mm (30 ghz) bằng cách cảnh báo lái xe
về nguy hiểm tiềm năng từ những xe khác Từ đó lái xe có thể được nắm bắt trước
tình hình nếu có xe khác dừng trong khu vực khó quan sát hoặc đang tiến vào cùng
nút giao nhau. Phần cứng của hệ thống bao gồm bộ xử lý siêu nhỏ, bộ thu GPS
(định vị tồn cầu) và mạng LAN khơng dây. Khoảng cách mà các xe có thể liên lạc
với nhau trong phạm vi vài trăm mét và thông tin thường được chuyển tới lái xe
thông qua âm thanh cảnh báo hoặc màn hình hiển thị nhỏ.
¾ Nút giao nhau thông minh
Gần đây hãng Ford đã giới thiệu công nghệ “Smart Intersection–Nút giao nhau
thông minh”, Hệ thống này hoạt động dựa trên GPS và công nghệ kết nối không dây
trong dải sóng mm (30 ghz) kích hoạt đèn giao thơng và tín hiệu đường phố để gửi
cảnh báo tới các phương tiện đang tiếp cận gần nhằm giảm tai nạn và tắc nghẽn giao
thông. Tại nút giao nhau được trang bị một hộp bao gồm một máy tính kiểm sốt
giao thơng, hệ thống GPS, tần sóng W-Fi phạm vi ngắn, kho lưu trữ bản đồ và bộ
cảm biến trung tâm. Khi một chiếc xe tiến lại gần, bộ truyền tín hiệu nhỏ đặt tại

16

đỉnh đèn sẽ thiết lập kết nối với hệ định vị của xe. Nó sẽ truyền bản đồ về nút giao
nhau và thông báo hiện trạng đèn giao thông cũng như thời gian thay đổi. Nếu máy
tính của xe xác định rằng lái xe chuẩn bi vượt đèn đỏ, hoặc chưa đủ thời gian để
chạy qua nút giao nhau trước khi tín hiệu này thay đổi, nó sẽ cảnh báo cho lái xe
bằng hình ảnh và âm thanh. Với sự nỗ lực của các nhà sản xuất ô tô, chắc chắn
trong tương lai gần, một hệ thống chuẩn hóa sẽ được sử dụng giúp các phương tiện
trên đường nhận biết sự có mặt của các loại phương tiện giao thơng khác và giảm
thiểu tối đa các vụ va chạm.

Hộp kỹ thuật đặt trên đường

Bộ thu tín hiệu trên xe

Hình 1.6: Hệ thống cơng nghệ “Nút giao nhau thơng minh”
¾ Vừa lái xe, vừa cập nhật Facebook với OnStar

Hãng GM lên kế hoạch giới thiệu tính năng rảnh tay mới của OnStar liên quan
đến mạng xã hội Facebook thông qua giao diện MyLink ứng dụng mạng không dây
hoạt động trong dải sóng mm (30 ghz). Ngay cả khi hai tay đang bận lái xe, bạn vẫn
có thể cập nhật status Facebook bằng giọng nói của mình. Nhờ cơng nghệ nhận diện
giọng nói thơng minh, status sẽ được viết lên Facebook mà khơng cần dùng đến tay
Chỉ cần nhấn nút và nói, bạn sẽ cập nhật được status lên Facebook thông qua giao
diện MyLink. Khi muốn cập nhật status lên Facebook, người lái chỉ cần đọc để hệ

17


thống OnStar ghi âm thành một file. Sau đó, MyLink sẽ chuyển file âm thanh thành
chữ viết và cập nhật lên Facebook.

¾ Mạng di động và cố định Backhaul
Fixed and Mobile Network Backhaul - Backhaul là thuật ngữ dùng chỉ sự truyền tải
thơng tin từ một trạm phát sóng (một mạng từ xa) về mạng trục (mạng trung tâm).
Công nghệ băng rộng khơng dây hoạt động trong dải sóng mm có thể sử dụng để
đáp ứng những yêu cầu kết nối của hệ thống 4G, 3G, 2.5G và 802.11. Đặc biệt,
cơng nghệ này có thể được kết hợp để tạo giao tiếp giữa trạm BTS và BSC trong
thông tin di động.
¾ Mạng mở rộng truyền thơng cáp/Xe điện ngầm
Fibre Extension/ Metro Networking - Những nhà cung cấp dịch vụ có thể mở rộng
mạng truyền thông cáp bằng việc truyền từ một trong những trung tâm của họ tới
tòa nhà gần người dùng sử dụng cơng nghệ dải sóng mm (Millimeter wave
technology – MWT). Đường truyền khơng dây có thể sử dụng trong trường hợp này
nơi mà kết nối cáp không thể thực hiện được hay không khả thi về mặt kinh tế, Chi
phí thấp. Mơ hình được minh họa bằng hình vẽ dưới đây.

Hình 1.7: Mơ hình kết nối BTS – BSC sử dụng MWT
¾ Giải quyết các vấn đề thông tin giao tiếp trong các khu căn hộ cao cấp
Eliminate Reception Problems for Apartment Dwellers - Những người sử
dụng trong thành phố có thể khơng nhận được tín hiệu phát từ những trạm phát
sóng hay những vệ tinh do sự có mặt của cây cối hay nhà cao tầng gây cản trở tín
hiệu trên đường truyền. Một trường hợp khác là những nơi mà nhà cao tầng ngăn
cản người dân truy cập thơng tin vệ tinh như trong hình 1.8.

18


Hình 1.8: Mơ hình minh họa thơng tin vệ tinh tại thành phố
Ở Nhật Bản, sự sắp xếp trạm thu phát được đặt theo kết nối không dây thẳng
đứng (Vertically Connected Wireless Link–VCWL) sử dụng MWT-30 ghz để khắc
phục những khó khăn nêu trên. Hệ thống bao gồm một trạm phát đặt tại đỉnh tòa

nhà hướng xuống, và những trạm thu được đặt tại những ban công. Đầu thu trong
mỗi căn hộ nhận và chuyển tín hiệu xuống thành tín hiệu trung tần IF đưa vào một
bộ giải điều chế.
¾ Mạng kết nối LAN - to - LAN (LAN bridges)
Những tịa nhà trong khu vực dân cư có thể kết nối với nhau bằng những kết nối
khơng dây có băng thông rộng sử dụng MWT- 30 ghz, ưu điểm là đường truyền
đảm bảo tin cậy, dễ triển khai và khả năng phục vụ cao.
¾ Mơ hình một số ứng dụng của mạng khơng dây ngồi trời

Mơ hình minh họa đặc thù địa hình đồi núi

19


Với đặc thù địa hình đồi núi, tầm nhìn rộng, sử dụng cơng nghệ dải sóng mm 30 ghz để nối mạng giữa các building với nhau, giữa trung tâm và chi nhánh, giữa
văn phịng chính và các nhà xưởng như hình vẽ minh họa dưới đây.

™ Sử dụng MWT- 30 ghz Là giải pháp ưu việt để kết nối mạng cho những vi trí
khơng thể đi dây (cảng, sân bay, trường học, khu vui chơi giải trí, nhà xưởng..)
hoặc với khoảng cách truyền quá xa nhưng cần chi phí thấp.

Điểm – Điểm

Ðiểm - Ða điểm .

¾ Hệ thống anten iNetvu
C-COM đã ứng dụng công nghệ không dây - MWT phát triển thiết bị điều khiển
và anten tự động triển khai di động với tên gọi là iNetvuTM, cho phép kết nối
các dịch vụ internet băng thông rộng, video và VoIP tại bất kỳ đâu. Hệ thống
anten iNetvu rất dễ sử dụng và thân thiện, ngay cả đối với những người ít am

hiểu về cơng nghệ vệ tinh. Chỉ bằng một nút bấm đơn giản, hệ thống anten
iNetvu sẽ tự động triển khai, và ngay lập tức kết nối internet.

20


¾ Hệ thống thông tin di động MIK-MKS
MIK-MKS tạo ra kênh liên lạc không dây băng thông rộng cho 200 người dùng
bằng cách sử dụng 4 anten trên đỉnh cột. Nhà sản xuất Micran có trụ sở ở thành phố
Tomsk, Siberia có thể thiết kế hệ thống cho các ứng dụng thơng tin khác nhau, song
chức năng chính của hệ thống là dùng cho 1 xe đơn lẻ kết nối với nhiều đơn vị phân
tán. Hệ thống có khả năng chống nhiễu cao và hoạt động được trong các điều kiện
khắc nghiệt, đặc biệt là khi có gió mạnh. Dưới đây là hình ảnh minh họa

¾ Hệ thống radar đa năng Radar Kasta 2E

Kasta là hệ thống ra-đa đa năng tuyệt vời, có thể dùng để bám trực thăng, tên
lửa hành trình và máy bay. Khi triển khai ra-đa ở chế độ điều khiển từ xa, ra-đa có
thể bao quát khoảng 90 dặm tùy thuộc vào độ cao của anten, và có thể triển khai
hoạt động trong vịng 20 phút. Kasta có khả năng chống nhiễu tốt.

21


1.3. Kết quả mong muốn
Để triển khai được những ứng dụng trên dải tần 30 GHz, anten là thành phần
đóng vai trò quyết định cùng với những yếu tố như cơng nghệ xử lý tín hiệu, và các
chuẩn phục vụ. Những anten sử dụng trong hệ thống 30 GHz không chỉ có khả năng
định hướng cao mà cịn u cầu kích thước nhỏ, nhẹ, dễ tích hợp.
Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu những yêu cầu với anten cho các hệ

thống hoạt động tại dải tần 30 GHz. Với một anten đơn có độ tăng ích lớn hơn 30
dBi và góc nửa mức cơng suất là 6.5 độ, một đường truyền tin cậy rất khó thực hiện
ngay cả khi trong điều kiện đường truyền thẳng (Line Of Sight – LOS) tại tần số 30
GHz. Điều này, có thể thấy, là do di chuyển của con người dễ dàng ngăn chặn và
gây suy hao tín hiệu băng hẹp. Để khắc phục khó khăn này, anten chuyển búp sóng
hay giàn anten thích nghi có thể được triển khai để tìm và định hướng với mục đích
thu được tín hiệu đang truyền. Giàn anten được u cầu tìm đường truyền tín hiệu
cả liên tục lẫn chu kì, phụ thuộc vào tính ổn dịnh của kết nối. Một thơng số chính
của hiệu năng của đường truyền là cần bao nhiêu anten để đạt được độ định hướng
đã định. Điều này độc lập với độ định hướng của giàn anten, nó liên quan tới sự cải
tiến hiệu năng của SNR trên từng thành phần anten đơn lẻ. Một thơng số khác là
góc mở hay độ rộng búp sóng của những anten này, bởi vì nó quyết định số đường
truyền mà anten có thể truyền trong môi trường tán xạ. Nhiều cấu trúc anten được
xem xét là không phù hợp cho những ứng dụng WPAN/WLAN vì u cầu chi phí
thấp, kích thước nhỏ, nhẹ và độ định hướng cao.Vậy lựa chọn giàn anten hoạt động
ở dải tần 30 GHz là khả thi vì yêu cầu hoạt động với hệ số định hướng gần như ổn
định và hiệu suất cao trên toàn dải băng (24 – 35 GHz). Yêu cầu về búp sóng tại dải
tần 30 GHz có thể đạt được bằng giàn anten chuyển búp sóng hay giàn anten định
pha. Giàn anten chuyển búp sóng có nhiều búp đã định sẵn có thể được chọn để phủ
sóng tồn bộ vùng dịch vụ. Anten này triển khai dễ hơn so với giàn anten định pha
vì giàn anten dịnh pha yêu cầu một quá trình chuyển pha liên tục giữa các phần tử.
Độ phức tạp của giàn anten định pha tại tần số 30 GHz chủ yếu giới hạn số
phần tử của mảng. Tuy nhiên, việc triển khai của giàn anten định pha là một thách
thức về mặt kĩ thuật, như yêu cầu cho một điều khiển pha sẽ phức tạp hơn, kết nối
22


tốt hơn giữa các phần tử cũng như đường tiếp điện...Điều này khiến cho việc thiết
kế và sản xuất của giàn anten định pha sẽ phức tạp và chi phí cao hơn. Vì vậy,
những nghiên cứu gần đây đã hướng tới yêu cầu phát triển giàn anten với chi phí

thấp, kích thước nhỏ, nhẹ và độ định hướng cao có thể tích hợp trong các thiết bị
điện tử. Như thực hiện thiết kế hệ thống giàn anten hoạt động ở dải tần 30 GHz
Để đạt được điều này, phương pháp thiết kế nên chú trọng vào:
- Chấp nhận sự có mặt của nhiễu đa đường và kết hợp với những cơng nghệ sẵn có.
- Sử dụng những đường truyền thẳng với anten búp sóng hẹp để loại bỏ hầu hết
hiệu ứng đa đường và vì vậy sử dụng cơ chế điều chế đơn không cân bằng, như
FSK và PSK.
Trong trường hợp đầu thiết kế sẽ tập trung vào kĩ thuật chế tạo anten với búp
sóng hẹp, trong khi ở trường hợp thứ hai, công việc lại tập trung vào kĩ thuật anten
định hướng. Những kĩ thuật này được sử dụng vì trễ đa đường gây ra nhiễu xun kí
tự. Trễ đa đường phụ thuộc vào kích thước, mật độ và vị trí của những nguồn bức
xạ trong khơng gian được phủ sóng.
Trong khn khổ luận án này, tơi thực hiện nghiên cứu phân tích thiết kế hệ
thống anten mảng quasi - Yagi hoạt động trong dải tần số 30 GHz, giải pháp hứa
hẹn cho những hệ thống thông tin cơ động đặt trên xe cơ giới tốc độ gigabit.

23


Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Việc thiết kế và tối ưu anten mảng quasi - Yagi được dựa trên những nguyên
lý cơ bản của lý thuyết anten và truyền sóng. Bên cạnh đó là việc ứng dụng phương
pháp phần tử hữu hạn trong việc tính tốn trường của cấu trúc anten. Trong phần
đầu của chương này, tơi xin trình bày những lý thuyết cơ bản về phương trình
Maxell, điều kiện bờ và phương trình truyền sóng.

2.1. Nhắc lại lý thuyết trường
2.1.1. Phương trình Maxell và điều kiện biên
Trong khơng gian tự do hệ phương trình Maxwell và các phương trình liên
quan [1] được biểu diễn như sau:

(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
(2.6)
Trong các phương trình này:
•

E là véc-tơ điện trường

•

H là véc-tơ từ trường

•

B là véc-tơ mật độ thơng lượng từ

•

D là mật độ thơng lượng điện

•

J là mật độ dịng điện dẫn

•

là mật độ điện tích

•

là hệ số điện mơi trong khơng gian tự do

•

là hệ số từ thẩm trong khơng gian tự do

Với các vật liệu dẫn điện, định luật bảo toàn điện tích được biểu diễn bởi quan hệ:
24